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碳纖維: 輕量化應用前景廣闊的特種纖維
時間:2020年10月30日 來源:復合材料體驗館  作者:佚名 瀏覽次數:

碳纖維: 輕量化應用前景廣闊的特種纖維

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  碳纖維是一種碳含量在90%以上的高強度高模量纖維材料,耐高溫性能居所有化纖之首。

 

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      碳纖維復合材料是由碳纖維與金屬、陶瓷、樹脂等基體制作而成。碳纖維屬于復雜技術產業的典型代表,通過不同的制作工藝得到的產品也差異巨大。上游原材料的要求高,中間過程產出復雜,需要大量穩定的核心機械設備。

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      按原材料的不同,碳纖維可分為三類。世界上能夠達到工業規模化生產的主要有聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和黏膠基碳纖維三種,其中PAN基碳纖維占據絕對主要地位,份額達 90%以上,其次是瀝青基碳纖維約占 6-8%, 黏膠基碳纖維產量最低。產業中最早開發的是黏膠基碳纖維,該類纖維強力較低,主要應用于耐燒蝕材料及隔熱材料。瀝青基碳纖維彈性模量好,熱膨脹系數小、熱導率高、但抗拉強度和抗壓強度低,且瀝青的提取成本較高。PAN綜合性能最好,價格適中,生產難度較瀝青更低,品種多,是全球碳纖維市場的主流產品。

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    根據應用領域的不同,碳纖維按照絲束大小通常可以分為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維。大絲束碳纖維雖然過去就有生產,但是由于其抗拉強度不高,與小絲束有較大差距,所以大絲束碳纖維一直沒有得到重視,也沒有被廣泛應用。直至近年來, 大絲束碳纖維性能提升,價格優勢更加明顯,在工業領域里具有更強的競爭力。

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      碳纖維制造過程核心是將通過紡絲過程獲得的原絲經過一系列高溫熱處理工程轉變為碳纖維的過程。

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      PAN原絲是制造碳纖維的原材料,原絲的性能很大程度可以決定碳纖維的性能。PAN聚合溶液制備通常是丙烯腈在二甲基亞砜(DMSO)中聚合,經脫單脫泡后過濾,用于PAN原絲制備。基于聚合裝備和技術傳統,國內大部分碳纖維生產廠家采用該法,結合間歇或半連續聚合工藝流程。間歇聚合即聚合主題過程在獨立設備和時段內一次完成,進出料均為間歇過程,嚴格按批次操作。
       加工處理原絲是碳纖維生產至關重要的環節,在整個制備過程中,高溫處理設備最為關鍵核心,設備的穩定性直接關系到生產鏈的運轉能力和產品性能。

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   大絲束碳纖維復合材料具有更大的市場。企業選擇大絲束品種重要的目標是追求低成本和大規模工業應用,工業用碳纖維方面對碳纖維的價格更加敏感,而對碳纖維的性能要求不像航空航天和軍工要求那么高,因此,從產業升級和經濟學的角度來看,大絲束碳纖維復合材料具有更大的市場。雖然大部分龍頭企業已投入大量資金積極研發創新大絲束纖維,但由于我國整體起步較晚,產品與國外有較大差距,產業鏈不完備,基礎薄弱,技術相對落后,開展大規模工業化生產還存在較多技術難題。
(1)技術標準和性能測試缺失:性能測試與表征方法還是空白,缺少了準確的檢驗檢測數據支撐,給研發和生產增加了難度。
(2)新型碳纖維前驅體化合物的開發難題:PAN的化工合成和PAN纖維的紡絲上游原絲技術不過關,國內企業在高端原絲自主研發方面實力差,還處于第二階段,而國外龍頭公司的高端原絲研發已進入第三階段,產品差異化明顯, 具有產品優勢。
       國際研究表明,在預氧化過程中牽伸比為1.1-1.3的碳纖維性能最好,而牽伸比較低時,所得預碳化纖維的取向度以及致密性不充分,會導致碳纖維的股拉伸彈性模量降低。石墨化過程同理,牽伸比在1-1.05時,碳纖維性能最好。

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(3)在原絲制備過程中,濕法紡絲是極為重要的核心環節。衡量濕紡紡絲工藝的著重點是考察制備過程中的條件均一性,環境干擾容易造成碳纖維的內部缺陷和性能下降。

       展紗技術高標準嚴要求:生產過程中絲束難以延展成平帶,單絲厚度增加, 不利于鋪層設計,容易出現粘連、 斷絲現象,影響生產效率和產品外觀,材料性能得不到有效轉換,產品性能不穩定。
       碳化結構形成機理及制備技術受限:從PAN基到碳纖維需高效的設備處理, 主要是指提“束”(大絲束)與提“速”(高速)。涉及增產的邊際效益以及規模經濟。預氧化過程在一定溫度梯度的熱環境下,對原絲進行較長時間熱處理,使其成為具有熱穩定性結構的纖維。

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      2019年全球碳纖維市場,航空航天、體育器材、汽車、建筑補強、模塑混配等經典大需求端穩步發展,風電、壓力容器等新興領域將成為又一個驅動市場的重要引擎。全球下游需求中,風電和航空航天占比接近一半,其次是體育休閑和汽車市場。下游需求產值來看,2019 年全球碳纖維銷售金額為28.7億美元,同比增速為11.6%,其中航空航天下游產值占比近50%,風電葉片雖然需求量大,但是單價低,產值占比較低,僅為12%。

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    中國碳纖維總需求已從2008年的8.2千噸,增長到2019年的34.7千噸,CAGR為14.01%,高于全球平均水平。2019年中國碳纖維總需求占全球總需求34%,預計 2020年中國總需求將達到38.94千噸。當前國內碳纖維仍嚴重依賴進口,2019年國內產量為1.2 萬噸,僅占到總需求量的31.7%,但是國內產量已經連續兩年增速超過30%,預計在2025年國內產量將超過進口量。

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     中國碳纖維需求結構和全球范圍內差距較大,體育用品需求占比最高達到37%, 其次是風電葉片占比為36.5%,航空航天領域需求占比僅為3.7%,遠低于全球范圍內23%的占比。
       國內碳纖維進口依存度仍在70%左右,國內進口主要源自日本、美國等龍頭企業,分別占總需求量的20.3%、7.3%,總和接近總需求的3成。其中日本及其韓國公司主要供給小絲束碳纖維,優越的核心技術和品牌效應幫助企業牢牢穩固在全球市場前茅。2019年中國的小絲束市場容量大約有18000噸,其中國產7000噸。在大絲束是市場方面,以美國為首,墨西哥匈牙利為輔建立的卓爾泰克體系提供了大約6000噸規模的體量,土耳其的1324噸主要也集中在大絲束市場。國內市場需求大絲束市場大約有14000噸,其中國產1000噸, 幾乎90%以上是進口需求。

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    國內航空航天碳纖維領域處于起步階段,2019年國內需求量僅為3700噸,占到國內總需求的3.7%。國產飛機正處研發關鍵階段,碳纖維行業亟待擴大生產力。航空領域應用包括軍機和民機兩個市場。該市場的特點是產品主要采用熱壓罐成型(占90以上),低成本的設計技術與制造工藝是發展趨勢,也是碳纖維在航空航天領域擴大應用的驅動力。

      風電市場發展空間巨大,成為碳纖維市場新增量。過去10年風電度電成本的降低從根本上改變了其競爭地位。在過去5年中,風電的成本平均下降了50%以上,僅在2018至2019年期間,新建海上風電的價格就下降了三分之一。隨著過去幾年內風電成本的大幅下降,技術不斷進步,2019年全球市場的風電 新增裝機容量為60.4GW,較2018年新增19%,成為史上新增比例第二的年份。

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    國內航空航天碳纖維領域處于起步階段,2019年國內需求量僅為3700噸,占到國內總需求的3.7%。國產飛機正處研發關鍵階段,碳纖維行業亟待擴大生產力。航空領域應用包括軍機和民機兩個市場。該市場的特點是產品主要采用熱壓罐成型(占90以上),低成本的設計技術與制造工藝是發展趨勢,也是碳纖維在航空航天領域擴大應用的驅動力。

      風電市場發展空間巨大,成為碳纖維市場新增量。過去10年風電度電成本的降低從根本上改變了其競爭地位。在過去5年中,風電的成本平均下降了50%以上,僅在2018至2019年期間,新建海上風電的價格就下降了三分之一。隨著過去幾年內風電成本的大幅下降,技術不斷進步,2019年全球市場的風電 新增裝機容量為60.4GW,較2018年新增19%,成為史上新增比例第二的年份。

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    休閑領域是碳纖維最早應用的領域之一。碳纖維復合材料質量輕、比強度和比模量高、疲勞強度大、阻尼性能好,相比其他工業,碳纖維的破損安全性 能好,設計自由度大,作為體育器材不會傷害人體,并能最大限度地發揮使用效果。2019年全球體育領域的碳纖維復合材料需求達到15千噸,占總需求的14%,相比2013年的9千噸增長了66.67%。體育應用領域進入發展爬坡期,企業轉 化為控制成本端以提高利潤的戰略思路,市場趨于飽和,碳纖維單價較穩定。

      在2019年,全世界產能增速較前幾年有所下滑,預計本年全球運行產能為154.9千噸。這是由于世界龍頭企業的擴產計劃紛紛在2018年或者2019年年中達成,符合上升企業的發展規律,例如卓爾泰克在匈牙利增產5000噸的計劃以及美國龍頭企業赫氏公司的擴產計劃均在今年達成。

       從全球產能分區域份額圖來看,美國、日本依舊領跑全球,在行業中占據舉足輕重的地位。大陸地區緊隨其后,達到17.3%左右的份額。世界碳纖維份額的競爭,充分反映該區域的綜合投資水平。美國地區綜合投資環境較好,地廣人 稀,具有生產要素優勢,產業鏈生態完備,其主要困境在于人工,碳纖維行業 需要高精尖技術人才,生產線上也需要訓練有素的員工。日本的投資環境、生 產要素低于世界平均水平,但該區域企業擁有頂尖的技術以及研發手段,利用 價格優勢仍然能夠領跑全球。中國的投資環境處于全球中等水平,在人工上占 有巨大優勢,主要困境在于技術研發,產品還有大量提升空間。

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    目前全球碳纖維生產主要集中在日、美、德、中、韓等國。其中日本、美國供 給頭部市場比例遠超其他國家或地區,兩者作為碳纖維研發的領軍者,發展較早,工藝技術完備,產品性能好,出品率高,在下游應用端擁有品牌效應。在小絲束范圍里,日本碳纖維產業排名首位,掌握主要話語權,與高精尖科技 如航空航天領域聯系緊密,正逐步開拓新能源汽車市場。而美國碳纖維產業在 大絲束研發中取得突破性成果,憑借自身地理、技術以及應用優勢,吸引大量 碳纖維上游生產企業在本土投資,加強與下游企業的合作,深化技術互利共享。

      我國從20世紀60年代開始研發聚丙烯腈基碳纖維,起步落后于歐美日本。研發人員篳路藍縷,從無到有,在短短50年內取得了重大突破。隨著國內下游行業發展興起,國家大力扶持,碳纖維復合材料領域技術水平和產業化程度加速 發展,奮起直追,進入前所未有的新階段。

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     目前國內碳纖維行業仍處于初級階段,競爭不充分,熟練掌握核心技術并能使起生產規模化的企業相對較少。加之國內碳纖維產能利用率不足,碳化單線能力僅1000噸/年,遠低于國際標準2700噸/年,缺少國際競爭優勢。

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