全球碳纤维市场与技术的最新发展

摘要：全球碳纤维的供需市场呈持续增长态势，本文简要介绍了世界主要碳纤维生产厂家的产能变化状况及新的技术动向，诸如低成本碳纤维的开发、纳米碳纤维的应用以及可再生原丝资源的选择等。

关键词：纳米碳纤维；低成本碳纤维；碳纤维复合材料；新应用

中图分类号：TQ342+.74 文献标志码：A

Latest Developments of Global Carbon Fiber Market and Technology

Abstract： The global supply-demand market of carbon fiber has been expanding constantly. This article briefly introduced the changes in production capacity of some major carbon fiber manufacturers worldwide， and analyzed the latest technology and application developments of carbon fiber industry， such as the development of the low-cost carbon fibers（LCCF）， the application of carbon nanofiber and the selection of renewable precursor resources.

Key words： carbon nanofiber； LCCF； CFRP； new application

1 总体概况

据统计，2013年全球碳纤维（CF）的产能在12万t左右，市场需求量在14.1万t左右，日美及欧洲的10余家顶级生产商占据着全球碳纤维产量75%以上的份额。另据统计，2013年我国碳纤维产能达到了18 000 t，但实际产量仅有3 000 t左右。表 1、表 2 是对近几年全球碳纤维名义产能的预测。

碳纤维的市场需求持续增长，预计碳纤维需求规模将从2013年的48 000 t上升到2015年的69 350 t，增长幅度达44.5%。其中，运动休闲用途的需求量将从8 000 t提高到8 800 t；航空航天用途将从8 000 t提高到10 200 t；工业用途的需求量则将从32 000 t提升到50 350 t，增长迅速。

依据2011年12月世界复合材料研讨会（华盛顿）预测，2015 — 2020年间全球碳纤维市场仍将维持11%的年增长率，其中航空航天的需求量将增长51%，工业用途的需求量亦将增长77%。

2 碳纤维的市场供需状况

2.1 碳纤维复合材料（CFRP）在航空航天领域有巨大的拓展空间

依据2011年航天材料和制造业供需会议信息，2011 —2020年间，全球将有14万架飞行器投入使用，复合材料的需求将超过以往10年，增速达300%（按体积计算），年均增长率达16%。目前观察纤维增强复合材料和航空航天制造业市场，更倾向于商业飞行领域，这其中，飞机制造业将会有 2 ～ 3 倍的增长。

2011年全球CFRP的市场规模约为43亿美元，预计2020年将达到127亿美元。东丽公司的研究报告显示，大型商用飞机CFRP的使用量呈稳步增长态势，2004年的使用量约为50%，2009年增加到60%，预计2020年将达到65%。其中，波音777的CFRP用量约10 t/架，而波音787投入商业运营时其CFRP的使用量已达到35 t/架；空客公司大型商用飞机的结构材料亦经历着同样的变化，即CFRP的使用已从空客A320的 2 t/架提高到A380的35 t/架。

聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）和聚醚酰亚胺（PEI）的碳纤维增强复合材料已广泛用于航空航天产业。PEEK/碳纤维复合材料基体的熔点达335 ℃，具有良好的耐高温性能，对广谱有机和无机制剂的抵抗能力优良，但价格昂贵；PEI/碳纤维复合材料可承受200 ℃高温的使用条件，其优良的阻燃性能和极低的燃烧发烟性能是航空飞行器内装饰材料的上佳选择，此外，PEI材料还具有极佳的绝缘性能，可抵御水解侵蚀并有效防护紫外线和γ射线危害。

PPS/碳纤维热塑性复合材料具备十分好的强力和韧性指标，可在200 ℃高温条件下连续使用，目前已成功用于航空领域，并有低成本的竞争优势。目前这种材料已在Forkke-50飞机门底架及空客A340和A380的龙骨梁和托架材料上使用。A380型商用飞机采用了1 000多种PPS/碳纤维复合材料配件，其总重量超过2.5 t。以飞机座椅支架材料核计，每个PPS/碳纤维材料的座椅架重150 g，而使用铝合金则重达280 g，这充分显示了PPS/碳纤维复合材料在性能/重量比方面的优势。

美国ASI公司提供的Pyrograf-Ⅲ系列产品，是一种高石墨化、低成本、细旦纳米碳纤维（CNF），其纤维直径范围在70 ～ 200 nm之间，长度为100 μm，而常规碳纤维的直径一般为 5 ～ 10 μm。该纤维具有独特的结构特征，可改变碳纤维增强复合材料的机械性能、电导性能和热性能。目前，使用Pyrograf-Ⅲ系列纳米碳纤维的热塑性或热固性工程材料已在美国高性能军用飞机F-35和全球鹰无人机上使用。表 3 为Pyrograf-Ⅲ系列纳米碳纤维的技术特征。

2.2 CFRP在工业领域的应用强劲增长

依据复合材料预测与咨询公司（CFC）的研究报告，从2011 — 2020年，全球碳纤维的总产量将增长235%，2015年产量将达到92 340 t/a，其中工业用途占75%，航空航天用途占15%。

2.2.1 汽车产业促进了低成本碳纤维的技术进步

随着原油供给的波动，气候变暖加上日益严峻的环境状况，提高陆地运输的燃油效率已成为人类生存与发展的焦点课题之一。预计2020年全球汽车的产能将达到 1 亿辆，其中超级轿车5 000辆，豪华级轿车50万辆，一般豪华级轿车500万辆，普通轿车产量将接近9 500万辆。汽车产业的巨大市场呼唤低成本碳纤维的研究与开发。而据报道，新一代乘用车使用的轻质化结构材料可使汽车运行时的油耗达到128 km/加仑的指标。

CFRP重量仅为普通钢材的1/5，可减轻乘用车体的重量，从而提高燃油效率。碳纤维高昂的成本成为阻碍CFRP进入汽车产业的门槛。目前，航天用级别的碳纤维断裂强度约为600 ～ 1 000 ksi，模量40 ～ 60 Msi，成本15 ～ 50美元/磅；标准级别的碳纤维断裂强度约为550 ～ 650 ksi，模量32 ～ 37 Msi，成本 7 ～ 14美元/磅。依据美国ORNL实验室的研究报告，低成本碳纤维的加工成本应从 8 美元/磅降至 5 美元/磅。采用低成本CFRP的乘用车重量可减轻60%，燃油消耗下降30%，CO2排放量减少10% ～ 20%。

现实的碳纤维生产中，原丝成本占总生产成本的比例最高，约为59%；其他，稳定化/氧化成本占13%，碳化/石墨化成本占19%，纤维表面处理成本占4%，卷绕工艺/包装成本占5%。表 4 为低成本碳纤维开发工艺中部分可利用的原丝材料的技术特征。

在Zoltek与Weyerhaeuser公司合作开发的低成本碳纤维中，原丝材料选用了PAN与木质素混合原料体系。两原丝组分木质素/PAN的配比选择为15/85、20/80、25/75和45/55，其中木质素的极限含量不高于45%，原丝采用湿法成形工艺，其碳纤维成本可控制在 5 美元/磅。

美国ORNL实验室与加拿大Lignol等公司合作开发车用低成本碳纤维复合材料，目的是提供轻质化的复合材料，以降低乘用车60% ～ 70%的车体重量。该项研究立足于天然可再生资源，即制浆造纸企业的副产品木质素，目前全球每年约可提供 2 亿t木质素副产品，价格在1.1美元/kg上下。

木质素基碳纤维的加工成本构成大致为：木质素及其纺丝成形0.5美元/磅，氧化工序0.75美元/磅，碳化工艺0.65美元/磅，石墨化0.7美元/磅，表面处理0.1美元/磅，卷装0.15美元/磅，总成本可控制在2.85美元/磅左右。ORNL实验室的木质素基低成本碳纤维的商业化生产装置预计2014年可投入商业化运转。

Dow Chemical（陶氏化学）公司选用聚烯烃原料（PP或PE）替代传统的PAN原丝，初始实验得到的碳纤维总成本下降幅度达50%。ORNL实验室以聚烯烃原丝加工低成本碳纤维的研究成果显示，聚烯烃原丝的实际得率可达65% ～80%，原丝成本可控制在0.5 ～ 0.75美元/磅之间。

2.2.2 CFRP在风能透平上的使用

近年来，全球风能透平技术发展很快，特别是海上风能透平已由 3 MW进入 5 MW水平，其叶片长度可达45 m甚至更长。丹麦Vestas公司和西班牙Gamesa公司在CFRP叶片材料开发方面积累了丰富的经验。减轻风能透平叶片的重量，可以改善负荷下装置的运行状态，提升运转效率。CFRP叶片具有优良的性能/重量比，和传统玻璃纤维复合材料（GFRP）相比，其固有的耐疲劳性能更具比较优势。目前海上CFRP风能透平叶片长度可达45 m，其重量较之于传统复合材料要降低约20%。

预计未来 5 年间，8、10 MW的风能透平机组可投入运转，其配置的叶片长度可达80和100 m。长100 m、采用GFRP的叶片，其重量约为50 t，而选用CFRP其重量可以降低20% ～ 30%。考虑到碳纤维价格因素，使用玻璃纤维/碳纤维混合增强方式亦是可选择的技术途径。

据CFC公司预测，2019年全球将生产27 000台风能透平和82 000片叶片，其中CFRP叶片将占6%的份额。通用动力（GE）使用24 K标准模量碳纤维制作的新一代风能透平机组，叶片长度为48.7 m；Zoltek公司计划在目前13 000 t/a的基础上，将碳纤维产能扩大到20 000 t/a，以满足日益增长的风能透平市场的需要。

虽然如此，CFRP风能透平技术及其应用拓展仍面临着叶片加工技术和碳纤维价格的挑战，毕竟碳纤维价格昂贵，是传统适用的玻璃纤维的10 ～ 20倍。

近来，Bayer（拜耳）公司开发了新型聚氨酯树脂，即“Baytubes”产品，这是一种碳纳米管的PU增强复合材料，旨在改善风能透平叶片的强度，据称可比传统环氧树脂复合材料的断裂韧性提升48%，而总制造成本降低16%。

2.3 碳纤维增强复合材料市场新的增长点

2.3.1 散装天然气的储运与压力容器

天然气在全球能源消耗中约占1/4的份额，未来10年作为重要能源，其市场份额有望超过30%。散装天然气的贮运和大容量压力容器的开发因此也成为业内关注的重点之一。

压缩天然气（CNG）是现实运输产业燃油的可替代品之一，不仅清洁且具有最为广泛的应用领域。2010年全球压力天然气、汽车用贮氢罐市场碳纤维的消耗量达1 480 t，预计2019年其需求量将增长 8 倍，达11 470 t。目前我国液化天然气的对外依存度为8.53%，基于未来10年乃至更长时期的能源需求，国内液化天然气的对外依存度可能将达到50%以上。

（1）散装天然气的储运和使用

目前全球范围内行驶的压缩天然气动力汽车预计已达1 000万辆，其中美国城际间的CNG动力车已占20% ～ 25%。一般情况下，每辆汽车需配备 1 ～ 2 个供给单元，每个单元需配置 2 ～ 4 个CNG贮罐。容积120 L、使用压力200 bar的CNG贮罐大约需要20 ～ 22 kg碳纤维，散装运输的CNG压力容器直径达 1 m，长度12 m，容积500 L，贮罐重量仅为钢质容器的1/5 ～ 1/3。较低的瓶体重量和较高的使用压力可有效降低压缩天然气的运转成本。预计2014年全球散装CNG运输压力容器使用的CFRP材料将耗用5 000 t碳纤维。表 5 为使用不同材质的CNG容器的性能比较。

散装天然气压力容器通常在5 000 psi条件下使用，结构设计极佳的容器的使用压力可达10 000 psi。Lincon公司生产的标准天然气压力容器可以满足ISO的品质要求，容器长40英尺，每只贮罐需耗用5 000磅CFRP。

Trans公司的CFRP压力贮罐长20或80英尺，适用于驳船拖车和铁路运送，其重量约为38 000磅，较之于钢质容器要轻40%。近来欧洲天然气供给格局面临调整，欧盟、乌克兰和土尔其每年使用的1 500亿m3俄罗斯天然气，将取道海路由美国运至欧洲，为此欧美需要添加200艘液化天然气海上运输船支（每条船的运送量以17.4万m3计算，造价约1.9亿美元）。纵观当今世界造船业，欧美虽有能力建造液化天然气运输船只但已退出该项业务多年，目前只有韩国、日本和中国具备大量建造这种船的能力。其中，韩国造船业订单较多，而日本为了应对核事故，国内使用天然气能源的呼声高涨，因此造船业先得满足其国内需求，这就给我国的造船业及相关复合材料的开发带来新的机遇和挑战。

（2）储氢容器

汽车工业的发展需要安全高效的贮氢技术，目前压力为37 ～ 70 MPa的压力贮氢容器已实现实际使用。美国Quatum和波音公司合作开发的10 000 psi压力贮氢容器的技术性能亦已达到美国国家能源局（DOE）的要求。表 6 为压力贮氢容器的技术特征。

高压液相贮氢容器使用的CFRP，多系航空航天级别的碳纤维，通常复合材料要承受23 500 psi的顶破强力试验。选用的高端碳纤维材料为24 K，抗张强力700 ～ 1 000 ksi，抗张模量33 Msi，拉伸应变2.1%，单丝直径 7 μm，接近东丽公司T-700水平。

使用高性能碳纤维的复合材料，成本因素制约着贮氢容器的使用，如T-700价格达15美元/磅，而一般商业级碳纤维价格仅 8 美元/磅。Quatum公司开发的10 000 psi压力贮氢容器，其原料碳纤维的成本拟不超过10美元/磅，贮氢能源消费价格拟为10美元/（kW？h），而规模化生产后市场可接受的消费价格仅为 5 美元/（kW？h），因此贮氢容器的大规模推广应用还需要时间。

为给车用燃料电池提供安全高效的能源，美国DOE要求压力容器的贮氢量与容器的总重量比不低于6%。近年来采用物理吸附方法的贮氢技术取得了一些进展，以纳米碳纤维为介质、气相物理吸附氢的方式，吸附能力是高压液相贮氢能力的两倍以上。

物理吸附贮氢工艺使用的纳米碳纤维的单丝直径分布为5 ～ 500 nm，纤维长度 5 ～ 100 mm。吸附于常温、12 ～ 15 MPa下完成。贮氢容器的纳米碳纤维的装填量 21 ～ 30 kg，贮氢能力10% ～ 15%（wt%），要求乘用车可连续行驶500 km。2.3.2 海洋再生能源的利用

据统计，目前全球约有15个国家和地区的100余套海上能源转换装置在运转中，其中英国计划在2011 — 2015年间安装300 MW海上能源装置，预计海浪能的成本控制在0.48美元/（kW？h）以内，潮汐流能成本在0.39美元/（kW？h）以内。

海上再生能源转换系统十分类似于水下风能透平装置，大致可分为 4 种类型，即：（1）潮汐流能量转换系统（TISEC），主要包括卧式轴向能转换透平、立式轴向能转换透平、震荡式水力翼栅能转换装置；（2）海浪能转换系统（WEC）；（3）陆风能转换装置；（4）海洋热能转化系统（OTEC）。

依据美国国家再生能源实验室（NREL）的研究报告，20%的海洋能源在运转效率50%的条件下，就可以取得相当于传统水电的能源。清洁的海上再生能源的利用将降低温室气体的排放，有助于改善人类的生存环境，预计海洋能将占美国能源需求的20%。

海浪是重要的海上可利用再生能源，海上能源的开发利用孕育着巨大的潜力。以加拿大为例，其海上能源勘测显示，西部海域潜在的海浪能源达56 000 MW，潮汐能源达4 014 MW，预计2050年加拿大海洋能源的利用可达到15 000 MW。

加拿大Marine公司在爱尔兰建设了1.2 MW的潮汐流能源转换系统，并计划再安装 3 台1.2 MW潮汐流透平，以满足3 000户温哥华居民使用。2014年，2 MW“Seagen-F”潮汐流透平在美国和加拿大投入运行。Verdant公司的潮汐流透平亦已在运转中。

目前运转中的40 MW小型海洋能转换装置基本分布于欧洲和北美地区，还有超过100家的海洋能工程计划施工，其中基于潮汐方式的装置占60%，利用海浪能的方式占40%。2013年，70 MW规模的海洋能转换器亦在建设中。表 7 为50 MW潮汐流能转换装置投资成本的构成。

海浪和潮汐流能转换装置的使用寿命一般为20年。海洋能源的成本构成中，设备成本海浪能占31%，潮汐流能占13%；基础与系泊部件分别占6%和14%；运转和维修成本分别占17%和19%。CFRP具有强度/重量比优势，可有效改善海浪和潮汐流能转换装置的设备结构，最大限度地降低维修工作量，提升海洋能源利用的成本效率。

3 碳纤维技术进步的新动向

3.1 纳米碳纤维开发、生产和与应用已初具规模

航天器的动力和推进系统，使用高性价比的复合材料可以有效改善飞行器的性能和效率。美国航空航天局（NASA）立足于传统聚合物工程方法及纳米技术，即以纳米碳纤维为增强相、用以改善航天用复合材料机械性能的研究取得了新进展，如使用PR-19型纳米碳纤维的聚酰亚胺复合材料的耐老化性能可提升40%。

近来，纳米碳纤维在贮氢容器上的使用也展示出其独特的性能与高效率的特点。采用CFRP材料的压力贮氢容器能力可达5%，而以纳米碳纤维为介质，采用物理吸附方法，其贮氢能力可超过6.5%的指标，达到15%。依据美国国家能源局的预测，目前全球纳米碳纤维的需求量约为1 500 t，这种材料的市场需求和发展潜力十分可观。

3.2 对低成本碳纤维与高品质碳纤维生产技术的追求

据统计，美国运输车辆的燃油消耗约占其石油消费的70%，每年全美道路车辆的CO2排放量高达18.5亿t；我国汽轿车的产销量已达2 200万辆，燃油消耗的依存率60%，汽车尾气排放亦是1/4国土面积雾霾笼罩的重要因素。提高乘用车的燃油效率已成为人们的共识。减轻乘用车10%的重量，约可提高6% ～ 8%的燃油效率。因此，使用低成本的碳纤维复合材料，是提高汽车燃油效率的最实际途径。

汽车市场呼唤低成本碳纤维生产技术的进步，而碳纤维的产品品质亦需不断地改善和提高。上世纪80年代，碳纤维表面缺陷的控制一般在微米水平，90年代碳纤维表面品质的控制提高到亚微米水平，进入21世纪已经达到了纳米级。对高品质产品的不懈追求无疑促进了碳纤维行业的稳定发展。

3.3 碳纤维技术进步需要全产业链合作

碳纤维的生产、供给与应用需要持续投入，它要求碳纤维生产和应用方共同面对不断变化的市场需求，需要碳纤维原丝、纤维生产、复合材料设计与开发以及终端应用的全产业链合作，以实现最佳的成本效率。近年来，在低成本碳纤维的开发中，出现了东丽公司、戴姆斯勒公司以及专注于高端复合材料研究的ACE公司合作，陶氏化学、美国福特汽车和ORNL实验室的合作案例，从这些案例可清晰地看到碳纤维未来发展亟需的合作理念。

4 结语

我国从事碳纤维研发工作已有近50年，尽管目前国内已有30余家碳纤维企业，名义产能不小，但从产品品质、成本效率等方面考量，尚不完全具备工业化大规模生产的水平。高端纤维材料的研究与开发，需要人员与资金的持续投入，亦需要科学的发展理念。

参考文献

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[2] Karen Wood. Wind turbine blades： Glass vs. carbon fibers[J]. Composites Technology，2012（6）：19-22.

[3] 罗益锋. 碳纤维及其复合材料的最新市场发展及前景[J]. 纺织导报，2013（11）：42-48.

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