前言

      繼2012年全球碳纖維市場低迷后，2013年1～3月市場開始回暖，體育用品和一般產(chǎn)業(yè)用途售價已恢復。在近期日本碳纖維協(xié)會召開在復合材料研討會上，三菱麗陽公司預(yù)測自2012年至2020年間世界碳纖維的需求將以年均15%的速率增長，其中產(chǎn)業(yè)用途是其主要牽引力。美日歐主要碳纖維廠家已開始紛紛擴大產(chǎn)能，形成新一輪的擴產(chǎn)熱潮。國外的碳纖維廠家基本實現(xiàn)了從PAN原絲、碳纖維、預(yù)浸料至復合材料或其制品的產(chǎn)業(yè)鏈，以實現(xiàn)利潤的最大化。

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      中俄是未來碳纖維的大市場，繼ZOLTEK的大絲束碳纖維廠家在華興建合資生產(chǎn)廠后，美國道化學、DOW-AKSA先進復合材料控股公司與俄羅斯納米及復合材料控股公司（HCC），決定在俄羅斯生產(chǎn)碳纖維中間體與復合材料，而DOW-AKSA與HCC進一步探討在俄生產(chǎn)碳纖維的可能性。碳纖維市場的復蘇和價格的回升，對我國碳纖維生產(chǎn)廠家是扭虧的機遇，但對碳纖維復合材料（CFRP）廠家卻增加了生產(chǎn)成本，只有兩者兼有的廠家才能實現(xiàn)合理的平衡。 copyright 123456

1. 聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）生產(chǎn)廠家的新動向

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1.1 東麗

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      東麗2012年4月至12月PAN-CF及CFRP的銷售額比2011年同期只增長30億日元，達到563億日元，盈利卻減少21億日元，只達到55億日元，其中10月至12月的盈利減少13億日元，只達到13億日元，原因是銷售價下降致使減益10億日元。2013年1月至3月營業(yè)利潤預(yù)期將恢復至25億日元，主要原因是①體育用品及一般產(chǎn)業(yè)用途的產(chǎn)品價格已恢復，②日本國內(nèi)上了新生產(chǎn)線，消除了因定期檢修帶來的價格上揚，③由于日元下跌使純收入增加。2013年1月B-787因出現(xiàn)問題而停運，但B-787的生產(chǎn)卻從預(yù)定的月產(chǎn)5架增至7架，因此對東麗的PAN-CF銷售并無影響。此外，B-777飛機的產(chǎn)量也擴大了，因此對PAN-CF在該領(lǐng)域的需求無影響。

本文來自123

      在全球市場方面，由于美國頁巖氣革命而帶來壓力容器需求的增長，而隨著汽車用CFRP中間體及成型技術(shù)的開發(fā)，及燃料電池市場的開拓，通過與德國戴姆勒的合作積極推進在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，同時到2013年底B-787的產(chǎn)量將從月產(chǎn)7架增至10架。因此市場在快速復蘇。由于2013年筆記本電腦小型化、輕量化的需求增長，東麗正探討量產(chǎn)所需碳纖維。東麗面向風力發(fā)電葉片等產(chǎn)業(yè)用途的碳纖維需求在增長，因此自2012年10月起售價上調(diào)10%～20%，由國際價格27美元/Kg提高至30美元/Kg左右(2011年最高價為35美元/Kg)，T300的亞洲價則由2012年底的20美元/Kg上漲至25美元/Kg。

      2013年3月東麗從童夢集團收購了泰國的CFRP部件生產(chǎn)企業(yè)Carbon Magic公司，它擁有高精度熱壓罐技術(shù)，可生產(chǎn)汽車部件、醫(yī)療器械部件（CT床板、X-射線盒等）。為此，東麗繼2013年1月在韓國的子公司TAK建成2200t/a的PAN-CF生產(chǎn)廠后，2014年3月將在龜尾新建2500t/a的新設(shè)備，使TAK的產(chǎn)能達到4700t/a，以滿足新市場的需求。東麗目前的產(chǎn)能為21100t/a，計劃到2015年3月PAN-CF總產(chǎn)能達到2.71萬t/a，2020年達到5萬t/a，相當于現(xiàn)有的2.4倍，預(yù)期銷售額將從2012年的750億日元，擴大至2020年的3000億日元，提高4倍。2012年4月4日東麗所開發(fā)的B-747碳纖維及預(yù)浸料獲日本內(nèi)閣總理大臣獎。 123,123

1.2 東邦Tenax及其母公司帝人 copyright 123456

     帝人預(yù)測到2020年全球碳纖維的需求量將猛增4倍，如圖1所示，增量最大的是包括汽車在內(nèi)的一般產(chǎn)業(yè)用途。 123,123

 
圖1 123456

 

  
      帝人確立了面向汽車部件的CFRP在1min以內(nèi)的成型技術(shù)，與以往法相比生產(chǎn)速度提高了10倍，并在美國投資約300億日元將在田納西州興建5000t/a新碳纖維廠，使該公司的總產(chǎn)能達到18900t/a，預(yù)期到2021年3月碳纖維產(chǎn)業(yè)化的銷售額由目前的400億日元增至1500億～2000億日元。2012年11月中旬，產(chǎn)能為日產(chǎn)1萬個碳纖維增強熱塑性樹脂（CFRTP）制品的中試設(shè)備，于松山事業(yè)所投產(chǎn)，可進行試制品的快速性能評價和復雜成型品與大型CFRTP制品的試制，成型時間在1min以內(nèi)?，F(xiàn)帝人在美國底特律市郊建立銷售CFRTP制品和開展應(yīng)用開發(fā)的新公司，計劃于2013年4月開賬，并與GM公司共同推進面向汽車結(jié)構(gòu)材料為中心的用途開拓。 copyright 123456

1.3 三菱麗陽

       三菱麗陽預(yù)測，世界碳纖維的需求將從2012年的3.85萬t分別擴大至2013年的4萬t、2015年的6.3萬t和2020年的14萬t，年均增長15%左右。需求擴大的牽引力主要是：①海上大型風電葉片，②汽車輕量化部件，③壓縮天然氣瓶。汽車用途從2012年的2500t分別擴大至2015年的5000t、2017年的1萬t和2020年的2萬t。飛機用途將從2012年的8000t增至2020年的1.8萬t，年均增長11%弱。體育休閑用品將從2012年的7800t，以年均5.5%的增速發(fā)展。

      從供應(yīng)面看，世界PAN-CF的總產(chǎn)能預(yù)期將以年均20%增長，到2020年可望超過10萬t/a。該公司為適應(yīng)新形勢的需要，自2012年后期起大手筆、大規(guī)模、采用各種手段強化其碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈。

       繼2012年6月在大竹事業(yè)所投產(chǎn)2700t/a的大絲束“P330”系列PAN-CF的生產(chǎn)線使總產(chǎn)能達到1.1萬t/a后，計劃再建1條2700t/a的同樣生產(chǎn)線，以確保到2015年總產(chǎn)能擴大至1.38萬t/a?？紤]到2015年后歐洲以汽車和風電葉片市場為中心的需求可望擴大，不僅須滿足與SGL公司的大絲束原絲合作，還要滿足海外其他汽車等公司對P330碳纖維的需求，因此正探索構(gòu)筑從原絲到碳纖維的一整套新生產(chǎn)基地?？紤]到以北美為中心的卡車和公共汽車對CFRP壓縮天然氣瓶的需求不斷增長，而亞洲和南美的短距離輸送用氣瓶的需求也正式顯現(xiàn)。

       2012年10月起通過改造的美國小絲束高強PAN-CF生產(chǎn)線并于2013年4月投產(chǎn)，來滿足上述需求，并考慮進一步擴建的可能性。該公司自2012年11月以來，相繼與4家日本國內(nèi)外下游企業(yè)協(xié)作以擴大碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，今后2年間還將與10家企業(yè)協(xié)作，以構(gòu)筑新的集團體制，其中包括與風電葉片廠家締結(jié)同盟協(xié)議。首先吸收合并了三菱化學下屬的丙烯腈、丙烯酰胺企業(yè)，并強化在美國的碳纖維與復合材料制造與銷售企業(yè)Grafil公司，實現(xiàn)從單體原料至CFRP制品的整套產(chǎn)業(yè)鏈，增強全球競爭力。收買日本レンヂ（琦玉縣狹山市）和德國TK Industries兩家CFRP企業(yè)，前者擁有熱壓罐設(shè)備，并設(shè)計制造CFRP賽車及部件，2013年上半年還將引進大型壓機及縮短加工流程的設(shè)備，后者是碳纖維多軸織物的生產(chǎn)廠家，其技術(shù)實力和開發(fā)力高，在汽車和一般產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域擁有實績，今后可將三菱生產(chǎn)的P330系列PAN-CF（T700型）大絲束共同開發(fā)多軸織物。與韓國SK化學品公司協(xié)作，在韓國蔚山工廠委托生產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料，由三菱麗陽長期供應(yīng)碳纖維，同時向我國青島廠穩(wěn)定供應(yīng)碳纖維。

       為強化碳纖維高爾夫球桿和預(yù)浸料產(chǎn)業(yè)，花2200萬美元收購了美國Aldila公司。美國Aldila是美國最大和世界領(lǐng)先的碳纖維制高爾夫球桿生產(chǎn)廠家，在加州和越南胡志明市有生產(chǎn)據(jù)點，擁有從預(yù)浸料到成品的整套生產(chǎn)線，在設(shè)計能力、品質(zhì)、性能和成本方面，具有很高的競爭力，2011年的銷售額為4800萬美元。三菱麗陽還強化在美國Grafil公司的PAN-CF產(chǎn)業(yè)，自2012年第四季度起便改造現(xiàn)有設(shè)備，現(xiàn)已開始生產(chǎn)面向壓力容器的最適合的小絲束高性能碳纖維“Grafil 37-800”，今后隨著北美油頁巖氣突然出現(xiàn)景氣，壓縮天然氣瓶的需求大增，今后隨著車載燃料電池的普及，高壓容器的需求將進一步增長。

1.4 其他公司

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       韓國曉星經(jīng)3年的自主研發(fā)已成功開發(fā)了首次中檔性能的PAN-CF，并投資2億歐元在Jeonju Eco高技術(shù)綜合企業(yè)建設(shè)新PAN-CF廠，產(chǎn)能2000t/a，2013年完工，該公司計劃再投資8億歐元于2020年完成擴建至1萬t/a的目標。 123456

      俄羅斯Alabuga纖維公司預(yù)計將興建2條PAN-CF生產(chǎn)線，一期工程將投資6300萬歐元（250萬盧布）興建1500t/a的生產(chǎn)廠，總工程費1.06億歐元（420萬盧布）。

本文來自123

      美國道化學、道-AKSA先進復合材料控股公司（DowAksa）和俄羅斯Rosnano及其復合材料（HCC）控股公司，簽訂了戰(zhàn)略策協(xié)議定書，由HCC所運營的俄羅斯預(yù)浸料ACM公司與復合材料納米技術(shù)中心兩公司出資建設(shè)碳纖維中間體及復合材料生產(chǎn)線。其中道化學擁有復合材料技術(shù)，而DOW-AKSA擁有PAN原絲及碳纖維生產(chǎn)技術(shù)。
2010年印度Kemrock工業(yè)公司在Vadodara開創(chuàng)了印度首家PAN-CF生產(chǎn)線，包括丙烯腈聚合、紡絲和碳化，技術(shù)來自Bengaluru的CSIR國家航天實驗室，產(chǎn)能為400t/a，商品名“JAITEC”。Kemrock工業(yè)與出口有限公司（KIEL）在纖維增強塑料方面是領(lǐng)先的制造企業(yè)之一，現(xiàn)已生產(chǎn)出一系列用于工業(yè)用途的碳纖維產(chǎn)品，并生產(chǎn)CFRP和預(yù)浸料供應(yīng)國防、航天、風能、交通運輸和土木建筑行業(yè)。

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       ZOLTEK為適應(yīng)風能和其他用途對低成本碳纖維預(yù)浸料日益增長的需求，決定在美國圣路易郊區(qū)擴建新的預(yù)浸料生產(chǎn)裝置及新的技術(shù)中心。除此之外，ZOLTEK在匈牙利、墨西哥和美國德克薩斯的Abilene擁有碳纖維生產(chǎn)廠，并將在中國合建大絲束PAN-CF廠。 本文來自123

2. 碳纖維增強塑料（CFRP）的最新動向 123456

       美國Axon Automotive公司與碳纖維廠家東麗、編織專業(yè)廠家Eurocarbon和樹脂供應(yīng)商Scott Bader合作憑借被稱作Axontex的國際專利技術(shù)，開發(fā)全碳纖維汽車一次結(jié)構(gòu)材料，預(yù)成型體的芯是低密度聚乙烯泡沫密閉元件，其表面采用碳纖維編織物，形成三維織物結(jié)構(gòu)，質(zhì)量只有500Kg，使車輛比以往車減重50%。

    沙特SABIC創(chuàng)新塑料公司正擴充聚醚酰亞胺（PEI）樹脂產(chǎn)業(yè)，并與可樂麗公司合作開發(fā)PEI纖維，待2013年其3000t/a碳纖維生產(chǎn)線建成后，將大力開拓碳纖維增強PEI在電氣、電子、半導體、航空、航天、汽車和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。 本文來自123

      藤倉橡膠工業(yè)公司是高爾夫球桿的頂級生產(chǎn)廠家之一，最近利用獨自的復合材料積層設(shè)計和簡狀制品的高品質(zhì)成型加工技術(shù)，以及新確立的硬質(zhì)鉻的電鍍技術(shù)，開發(fā)了CFRP中空棒材代替以往的金屬滑動材料，其挺直度、同軸度實現(xiàn)了微米級的高精度，與非電鍍品相比，耐油和耐藥品性大幅度提高，將應(yīng)用于汽車和精密儀器方面。

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       三菱樹脂等6家公司開發(fā)了適應(yīng)建筑物梁和柱的新型補強工法“CFRP波形固定工法”，通過將CFRP棍插入有開孔的柱中，來固定波形的CFRP板，加固時無需重型機械，壽命長，最近取得了日本建筑物綜合試驗所出具的“建筑技術(shù)性能證明”的認定，并開始銷售。 內(nèi)容來自123456

       日鐵復合材料公司（NCK）從事CFRP等高性能復合材料的制造及其在土木建筑補強材料、精密機械部件、液晶、半導體制造設(shè)備、車輛機械等的應(yīng)用，在日本取得了重大業(yè)績，最近開拓了面向隧道挖掘工法“NOMST”的混凝土補強材料，可以進一步縮短工期和削減成本，正期待開拓海外市場。增強纖維有PAN-CF、對位芳酰胺纖維和玻纖。

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      日本IST集團的超樹脂工業(yè)公司建設(shè)了CFRP成型用的預(yù)浸料專用工廠，預(yù)計2013年秋開始投產(chǎn)，使產(chǎn)能擴大至以往的7倍，約月產(chǎn)20萬m?，F(xiàn)該公司保留2條溶劑法預(yù)浸料生產(chǎn)線，用于生產(chǎn)少量的多品種特殊制品，其他為適應(yīng)于高效大規(guī)模生產(chǎn)的熱熔法預(yù)浸料生產(chǎn)線，產(chǎn)品正提供給在我國的子公司。

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       大型CFRP葉片及風機，在國外發(fā)展很快，使用時將數(shù)十層厚的1Kg/m2以上碳纖維預(yù)浸料加以積層。在我國根據(jù)風電發(fā)展路線圖，到2050年風電占總發(fā)電量的比例要從目前的1%增至17%。
川崎重工開發(fā)了面向巴西區(qū)間飛機動翼的CFRP部件（KMS-6115），采用一般產(chǎn)業(yè)用碳纖維和高韌性環(huán)氧樹脂，使拉伸強度提高60%、壓縮強度增加30%，實現(xiàn)了高性能和低成本的航空用CFRP材料。迄今已生產(chǎn)1000架使用該動翼的飛機。 123456

3. CF和CFRP加工機械部件

       德國TOPOCROM公司開發(fā)了適用于碳纖維加工過程的導絲輥和其元件（圖2）。一般的羅拉在導絲過程易產(chǎn)生斷絲（圖3）或毛絲（圖4），由此常發(fā)生中斷現(xiàn)象，而該公司設(shè)計的羅拉表面如圖5所示，絕對無銳邊并形成“軟”形態(tài)（圖6），在絲束行進過程形成氣墊而有利于更好滑動（圖7），總之，它適用于加工碳纖維、芳綸、玻纖、陶瓷纖維及玄武巖纖維，而且具有高耐磨和耐腐蝕性、壽命長、均勻的表面結(jié)構(gòu)而有利于纖維的緩和處理，可達到最佳拉伸狀態(tài)、滑動性良好，并具有良好的緩沖和減震作用。 
 

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  玉川工業(yè)公司開發(fā)了高精度的CFRP大型板材的切斷裝置，可加工厚度200mm、寬200mm、長1.2m的板材，該切斷機有7大特點：①將4角支撐組合起來，并裝備采用密閉式的無油心軸，使偏差和耐久性獲得飛躍式提高，并實現(xiàn)免維修；②隨著主軸剛性的提高，可搭載1.5kW的馬達。③由于砂輪頭和工作臺可以旋轉(zhuǎn)，可一次裝卡而同時進行垂直和平行加工；④通過控制變換器調(diào)整切速改進容量，可自由選擇切速；⑤提高工作臺前后動作部件的剛性，而且前后的輸送罩采用可動式，以防止雜物進入；⑥全軸可決定高精度的位置；⑦為保持柱子的剛性，采用兩端支柱和橫軸滑動梁的門型結(jié)構(gòu)。機械尺寸寬2.3m、長3.2m、高2.15m，重2.5t，外形如圖8所示。

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圖8

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      德國Sahm公司開發(fā)并銷售了新的高性能纖維自動卷繞設(shè)備“Twinstar II 360XE（圖9）”，它配備有新的筒管自動化處理系統(tǒng)（圖10），它通過電子數(shù)據(jù)輸入所有卷繞參數(shù)而實現(xiàn)快速高效的產(chǎn)品更換、電子控制卷繞比、紗線定長、定時、定重、定卷繞直徑和周期等6大特點。

圖9 內(nèi)容來自123456

 

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圖10 123456

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5. CFRP廢棄物的處理與碳纖維的回用
    

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      德國Sueksen纖維研究所（STFI）研發(fā)了由CFRP廢棄物回收CF并制成長50～100mm的粗紗或非織造布，并研制正常碳纖維與再生碳纖維混雜非織造布。

      Tuligen纖維塑料研究所（TITK）正研發(fā)將切斷破碎的碳纖維形成網(wǎng)狀預(yù)成形體的技術(shù)。

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      CFK Valley Stude Recycling公司研發(fā)了將10mm長的再生碳纖維形成網(wǎng)片的技術(shù)（一般的技術(shù)只能采用30～100mm的短切再生碳纖維），然后將其針刺加固，再制成CFRP或內(nèi)裝坐席與大管子等。 123456

6. 新型高韌性樹脂和固化劑

       日本DHM公司通過樹脂設(shè)計的最佳化，成功地開發(fā)了斷裂伸長和耐熱性兼有的兩種高韌性樹脂，一種是強度和延伸率平衡性優(yōu)良且耐熱好的FRP用高韌性樹脂，另一種是低粘度且可以注射成型和真空成形的乙烯酯系CFRP用高韌性樹脂。

    2011年DHM公司曾開發(fā)兼有強度和耐疲勞性的CFRP用高韌性樹脂，2012年通過樹脂基體骨架設(shè)計和分子量最佳化，在開發(fā)適用于注射和真空成型用的CFRP高韌性樹脂，其中CF與樹脂界面的粘合性好，其機械性能如表1所示。

 

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      セイカ集團（和歌山縣海南市）最近建成產(chǎn)能500t/a（一期工程）的環(huán)氧樹脂固化劑廠，產(chǎn)品提供給B-787的CFRP部件生產(chǎn)企業(yè)等。

結(jié)束語 內(nèi)容來自123456

      碳纖維企業(yè)要在全球日益激烈的市場競爭中占有一席之地，從發(fā)展戰(zhàn)略上須構(gòu)筑從原料、PAN原絲、碳纖維、預(yù)浸料、織物至CFRP制品和部件的全套產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)利潤最大化。不具備條件的企業(yè)可與相關(guān)上下游企業(yè)建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系。 本文來自123

      為了擴大PAN-CF的應(yīng)用領(lǐng)域，有些廠家正開發(fā)與通用級瀝青纖維（P-CF）的混紡紗以及它與高性能中間相P-CF的混合預(yù)浸料取得了取長補短的效果。應(yīng)重視高韌性樹脂和相應(yīng)固化劑的產(chǎn)業(yè)化，使高性能碳纖維在CFRP中能發(fā)揮其極限性能。 copyright 123456

      我國一家企業(yè)生產(chǎn)獨自發(fā)明的陶瓷中空微珠，可作為CFRP的相對廉價增強材料，可提高其耐磨性、耐熱性、隔熱性、抗燃性、電磁波屏蔽性、拉伸強度和模量等，提高CFRP產(chǎn)品的附加值。 123456

      全球CF和CFRP需求量的快速恢復和增長，為我國碳纖維企業(yè)的扭虧為盈創(chuàng)造了良好的機遇，但在產(chǎn)能集中度方面尚有大量工作需要協(xié)調(diào)解決。