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浅谈高性能纤维及复合材料

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发表于 2019-7-9 16:42:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
文章来源:国家新材料产业发展战略咨询委员会

高性能纤维及复合材料

高性能纤维是指具有特殊的物理化学结构、性能和用途,或具有特殊功能的化学纤维,一般具有极高的抗拉强度、杨氏模量,同时具有耐高温、耐辐射、抗燃、耐高压、耐酸、耐碱、耐氧化剂腐蚀等其他特性,被广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输、工业工程、土工建筑、乃至生物医药和电子产业等领域。高性能纤维复合材料是以高性能纤维作为增强材料,树脂作为基体,通过加工成型得到的复合材料,具有质轻、高强高模、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、易加工成型等优异性能。全球高性能纤维及复合材料正朝着制造技术先进化、低成本化、材料高性能化、多功能化和应用扩大化的方向发展。从应用技术和产业成熟度来说,目前高性能纤维以碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维最为强势,且随着下游复合材料成型制件技术的提升,市场推广度和需求量正在不断增加且呈现加速扩张的趋势。

目前,高性能纤维及复合材料的全球产业以日本、美国、欧盟为优势主体。其中日本在碳纤维领域拥有绝对优势,东丽、帝人以及三菱丽阳贡献了全球碳纤维产能的一半;美国则拥有在芳纶产业的制霸企业杜邦公司,垄断高端产品技术的同时还能对低端产品形成价格控制;欧洲则在超高分子量聚乙烯纤维领域拥有处于优势地位的荷兰帝斯曼公司,到目前为止仍然是全球超高分子量聚乙烯纤维的最主要供应商,产能倍超其他优势企业。

1.碳纤维及复合材料

碳纤维是含碳量高于95% 的无机高分子纤维,具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐磨擦等优异的基本物理及化学性能,并有高振动衰减性、良好的导电导热性能、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数等。以高模量碳纤维作为增强材料的先进碳纤维复合材料具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳和热膨胀系数小等一系列的优异性能。

按照工业化生产路线原料,碳纤维主要可以分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类,其中以PAN 基碳纤维为主流,占全球碳纤维总产量的90% 以上。若按照生产技术路线和产品规格来分,碳纤维通常被分为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维,分别针对不同的应用领域。碳纤维增强复合材料简称碳纤维复合材料,是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、陶瓷、水泥、橡胶等为基体所形成的复合材料,具有较高的比强度及比刚性,轻量化效果十分明显;主要包括碳纤维/ 树脂基复合材料、碳纤维/ 陶瓷基复合材料、碳纤维/ 碳基复合材料、碳纤维/ 金属基复合材料等不同种类,其中碳纤维增强树脂基复合材料目前在市场上应用范围最广,发展前景广阔。碳纤维及其复合材料优异的性能使其被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造、武器装备、工程机械、基础设施建设、海洋工程、石油工程、风力能源、体育用品等领域。

目前全球最大的碳纤维及复合材料供应商主要集中在日本,无论质量还是数量均处于世界领先地位,尤其以日本东丽公司为代表,是目前世界上首屈一指的碳纤维生产供应商,除了产能占绝对优势,在航空航天高端碳纤维领域也几乎呈技术垄断地位,所生产的高强度碳纤维T1000、T1100 产品以及高模量碳纤维M60J、M70J 则代表着目前碳纤维产业的最高水品。美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的少数几个发达国家之一,是碳纤维材料以及碳纤维复合材料的应用大国,在生产方面更加注重产能的提升和成本的降低,是PAN 基大丝束碳纤维技术的主导国家。碳纤维材料在欧洲的起步发展紧随日美,目前德国西格里是较为强势的供应商,欧洲对轻量化材料、可持续材料的旺盛需求也促使了各大跨国集团在欧洲设立生产基地,占据了很大一部分的产能比例。亚太其他地区及大中华地区的碳纤维企业经过十几年的发展,虽然仍然不能对传统巨头带来撼动,但是以中国为代表的碳纤维产业新增力量一直备受行业的关注。

在国务院发布的《中国制造2025》中,碳纤维被列为关键战略材料之一,发展规划目标为:2020 年国产高强碳纤维及其复合材料技术成熟度达到9 级,实现在汽车、高技术轮船等领域的规模应用;2025 年,国产高强中模、高模高强碳纤维及其复合材料技术成熟度达到9 级;力争在2025 年前,结合国产大飞机的研发进程,航空用碳纤维复合材料部分关键部件取得CAAC/FAA/EASA 等适航认证。在政策促进下,我国近年来涌现了大批量的碳纤维生产企业,总理论产能超过20000 吨。据行业数据估算,2016 年我国碳纤维实际产量约为4500 吨,2015 年约为3840 吨,增幅较大。

在最近一年内,我国各大碳纤维企业陆续在碳纤维及复合材料相关技术和产能方面取得突破。2017 年1 月,江苏恒神公司的国内首创、高宽数米、长度近二十米的下一代碳纤维复合材料车体即将完成铺缝固化工序,成型出厂,这表明恒神公司已经进入了碳纤维技术和成果的收获期。9 月,中复神鹰“千吨级SYT55碳纤维新线项目”正式投产,标志着中复神鹰进入一个新的时代,继续引领国内行业发展,在世界碳纤维领域迈出战略性的关键一步。该项目于2017 年2 月22 日开工建设,8 月28 日建成并进行试生产,总投资近1 亿元,是继去年5 月份成功投产并连续稳定运行的千吨级T800 原丝生产线,以及在现有的百吨级T800 碳纤维生产线基础上,技术提升并迈出新的一步。12 月,吉林化纤集团1.2万吨大丝束碳纤维碳化项目一期2000 吨生产线试车成功,该项目是由吉林化纤集团与浙江精功集团有限公司共同出资、合作建设,它的建成投产,填补我国大丝束碳纤维生产的空白。同时依托吉林化纤碳谷公司优质的碳纤维原丝,将实现上下游产业链集合,促进国内碳纤维产业以及新材料领域的发展。2018 年,该项目将增开第二条生产线,进一步优化技术,降低成本,实现利润收入。

目前我国高性能碳纤维材料产业发展势头迅猛,针对市场主要为航空航天领域,同时着力瞄准勃发的新能源市场,包括风力发电、压力容器,以及潜在的新型汽车轻量化材料市场。但我国的碳纤维材料产品大多仍处在试运行、少量装机等阶段,与下游产业的合作仍需加强。应用端开发不充分也导致了大量碳纤维生产企业产能虚高,企业运营压力较大。随着碳纤维的民用化、低成本化发展,以及下游复合材料成型技术的不断提升,碳纤维生产企业在未来需进一步加强与应用端产业的产研联动,抓住市场机遇,为国产碳纤维产业找寻突破。

芳纶纤维及复合材料

芳纶全称为“芳香族聚酰胺纤维”,是一种高科技特种纤维,它具有优异的力学性能和稳定的化学性能。芳纶主要分为间位芳纶和对位芳纶两大类。间位芳纶具有长久的热稳定性、本质阻燃性、优良的电绝缘性,以及优异的耐腐蚀、耐辐射等特性,主要被应用于电绝缘服、高温防护服、高温传送带、高温过滤等领域。对位芳纶具有高强度、高模量、高耐热性,以及良好的抗冲击、耐腐蚀和抗疲劳性能,凭借上述特点,对位芳纶还经常被称作“防弹纤维”,并被广泛应用于国防军工、航空航天、个体防护及体育休闲等领域。

从总体来看,杜邦和帝人在全球芳纶纤维市场占据主导地位。根据水清木华研究中心的调查数据显示,仅杜邦与帝人两家企业就占据了全球70% 以上的市场份额。杜邦无论是在间位芳纶还是对位芳纶领域,都是国外芳纶企业中的佼佼者。美国杜邦是最早成功研制间位芳纶的企业,并于1967 年实现了间位芳纶Nomex? 的商业化生产。同时,杜邦还是对位芳纶的发明者和最重要的生产商,1972 年便实现了对位芳纶Kevlar? 的产业化。在芳纶发展的后续几十年中,杜邦依然保持着其领先地位,无论从技术水平还是产能方面,都较其他企业有着绝对优势。

日本帝人作为紧随杜邦之后的芳纶纤维巨头,在最近一年中动作频频。2016年12 月,帝人宣布重组聚酯纤维和芳纶纤维事业,公司原来的高功能纤维事业本部将主攻芳纶纤维相关事业。2017 年7 月,帝人芳纶宣布扩大其Twaron 芳纶纤维的产能。10 月,帝人芳纶宣布位于日本松山的一条全新的Technora 生产线已经建成投产。同时,其位于荷兰埃门的Twaron 工厂新投资的产能于2019 年第一季度建成投产。12 月20 日,帝人芳纶又宣布计划将Twaron 超级纤维产能提高25% 以上,这一额外的产能将在未来五年内完成。帝人的这一系列战略及产业举措都揭示了其稳定地位、扩大优势的决心。

与众多国外巨头企业相比,我国芳纶纤维发展起步较晚,无论是技术水平还是规模化生产均处于落后阶段。但是在政府政策大力支持和国内企业飞速发展的共同努力下,我国芳纶纤维产业已取得了快速发展。据水清木华研究中心的统计数据显示,2016 年我国芳纶纤维产量约为1.4 万吨,同比增长8.3%;2011-2016 年的年均复合增长率为10.4%。2017-2021 年,受国家政策的持续推动,芳纶市场将继续保持10.0% 左右的增长速度。

我国目前已出现多家产能达到千吨以上的芳纶厂商,其中烟台泰和新材料股份有限公司的间位芳纶生产能力达到5600 吨/ 年,成为仅次于美国杜邦成为全球第二大间位芳纶生产和供应商,且具备同时生产间位芳纶和对位芳纶的能力。此外,超美斯新材料股份有限公司、广东彩艳股份有限公司、河北硅谷化工有限公司、中蓝晨光化工研究设计院有限公司、中国石化仪征化纤有限责任公司、河南神马尼龙化工有限责任公司、苏州兆达特纤科技有限公司等企业也为我国的芳纶纤维发展做出了很多贡献。2017 年烟台泰和新材料在芳纶纤维的应用和研发上都取得了一定成绩。

小结

国际高性能纤维及复合材料市场正在迎来空前的发展期,我国已经在关键技术、装备、产业化生产以及下游应用领域取得了重大进展,未来我国会继续通过高性能纤维及复合材料等关键材料和技术的自主研发、产业上的联动突破,逐步实现从根本上摆脱高性能纤维受到的限制,实现进口替代,形成产业优势。针对我国高性能纤维及复合材料的产业现状,以下为若干未来发展措施建议:

持续加大技术创新,不断突破关键技术

高性能纤维及复合材料生产过程中的关键技术控制节点较多,需要从原料、设备、关键工艺等多个角度进行全方位的瓶颈突破,以保证产品的稳定性和系列化。尤其在高性能纤维高端应用领域的关键制备技术、低成本化制备技术、关键制备设备等重要环节,需要持续加强技术研发与自主知识产权体系的建立。应该形成以企业为主体,联合高校、科研院所、政府平台的共同创新体系,充分利用互补资源,同时加强对外交流与技术引进,全面促进我国高性能纤维技术的快速发展。

积极加强宏观引导,推动产业协调发展

我国高性能纤维及复合材料生产企业的理论产值虚高,开工率普遍较低,针对实际需求的产品有效供应仍然不足,在很大程度上依然依赖进口。这里既有产品性能稳定性的原因,同时也有产业发展定位的问题,造成了低端产品集中过量、高端产品难以满足需求的局面。这就需要针对高性能纤维及复合材料产业进行宏观的产业发展规划和有针对性的引导,避免产业扎堆和恶意竞争,着重布局缺口产业。此外,我国高性能纤维的下游产业应用同上游生产环节存在着供需关系不平衡、合作联系不紧密的现象;同时,国内高性能纤维的下游应用市场仍然没有被充分打开与挖掘。对此,上游企业未来应更多地关注与下游产业的沟通,进行更有应用针对性的产品开发,同时与下游产业协同挖掘高性能纤维的新应用、新市场,在满足国家需要和民生发展需求的同时,实现自身的持续发展。

推动行业标准建设,积极培育骨干企业

我国高性能纤维及复合材料产业目前对产品质量的规范性工作仍待加强,尤其在高端产品领域,存在着企业实际产品性能不合乎理想值、质量不稳定的情况,对高性能纤维及复合材料的应用推广带来严重影响。相关行业标准和应用领域设计要求对高性能纤维产业发展具有积极的促进作用,我国可以根据自身的实际情况,同时借鉴国外高性能纤维产品的性能特征,建立我国高性能纤维产业的技术标准和行业规范。通过规范的建立,也可以促进行业内部的良性竞争,帮助确立行业标杆,扩大我国在国际高性能纤维及复合材料领域的产业影响力。


本文封面图片来源于图虫创意
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