国外碳纤维复合材料产业开发方向实谈（二）

目前，世界每年生产乘用车5千万辆，若包括卡车和公共汽车为7千万辆，随着中、印等国汽车工业的快速发展，不久世界汽车的年产量确可能超过1亿辆。另外，目前世界PAN-CF的年产量只有数万吨，由于CFRP成本高、难加工、成型速度慢及还受再生问题的限制，只能用于航空航天、体育用品和工业产业领域，要想用于汽车上，最重要的是尽快开发适用于热塑性树脂（如聚丙烯等）的具有表面活性的CF以及其CFRTP超高速成型技术和二次加工技术，其次当CF需求量超过百万吨时，就要求开发以生物质为原料的CF，尽管目前还有一定难度。再次，当达到这么大规模时，需要开发CFRP的再生和CF高度再利用技术，还要解决这些材料和有关成型加工的评价和标准化问题。图7示出CF的潜在需求及相应所需的重要技术，供参考。
在汽车刹车片等方面，住友贝克莱特公司开发CF增强酚醛树脂“VYNTEC”制的刹车片，取代原用的CF增强PEEK或聚酰亚胺，其密度只有1.6g/cm³，相当于铁的1/5，比CF/PEEK轻，而且耐磨性和高温下的力学强度更好，在200℃下的抗弯曲强度为200MPa，而CF/PEEK < 100 MPa。此外还用于汽车的止推环、节流阀、主体齿轮等。Victrex日本公司则开发超薄的CF/PEEK预浸料，厚度<40μm，相当于一般CF预浸料（120～200 μm）的1/3～1/5，将用于飞机和汽车的薄板等。作为CFRP的新用途，还有汽车的燃料罐。 123456
3、风力发电叶片
随着风力发电设备的大型化，要求减轻设备负荷，为此要求采用适应于大型叶片轻量化和高刚性化的CF，为此除已大量采用的大丝束PAN-CF外，日铁复合材料公司已正式生产销售高性能沥青CF制的风电大型圆柱翼根，代替以往的螺旋桨，通过在螺旋圆柱翼上所安装的螺旋状叶片，可使风车高效捕风并旋转，即使弱风也能发挥较高的发电稳定性，而且噪音等级极低。
德国拜耳材料科学公司现正着手建设世界最大的多层碳纳米管（MWCNT）的生产装置，规模为200t/a，商品名为“BAYTUBES”，其纯度超过95%，而且可以稳定再现。用它增强的塑料或金属铝，力学强度高，与以往的材料相比，密度是钢铁的1/3而强度相当，质量却只有钢的50%，因此可改善能效和CO₂排放量的平衡，在某些领域取代钢、钛等特种金属及CFRP。在风力发电领域，若在大型CF与玻璃纤维增强的环氧树脂叶片中加入上述MWCNT，则与未加入CNT的材料相比，达到同样的强度时，质量减轻30%，抗冲击强度提高10%～30%，耐疲劳性也提高50%～200%，耐久性好，可延长叶片的寿命。为此，该公司正与加拿大阿尔基安公司、德国PEAK及ZOZ公司协作来开拓各方面的市场，包括CNT增强铝的高性能材料、体育用品等，预期10年内的销售额目标为20亿美元。 123,123
据报道，2005～2008年全球CF风电叶片的平均增长率为11808.6 MW/a，相当于每年增设5904座2MW风机。若2kW风电机组每片叶片以12t计，需玻纤6t，CF占10%，则每片叶片的CF用量为0.6t，每座风机需1.8t CF，则年均需求量估计为10627t。目前风电用大丝束CF的提供者为美国ZOLTEK公司，由于瑞典复合材料研究所及Oxcon AB公司开发了能将12k～48k CF展开成超薄（48～80 g/m²）的扁带，再经纬纱方式编织成织物，它极适用于单向交叉铺层，经测试其CFRP性能与采用1k～6k CF相同。为此，这种技术的开发无疑有助于大丝束CF的扩大应用。正是由于其市场的不断扩大，ZOLTEK的产能计划由2008年的13000t/a扩大至2010年的15500t/a。德国SGL集团的大丝束PAN-CF也将从2008年的7400t/a，扩大到2010年的14000t/a。
由于我国风电的需求量很大，许多国际知名企业如Vestas、Repower、Gamesa、EHN、Suzulon、Nordex、GE及LM等，都相继登陆中国，这将大大提升我国风电的技术水平，但同时又将加剧企业间的竞争。 copyright 123456
4、CFRP宽幅工业罗拉
日本三菱树脂公司最近实现了采用其高性能沥青CF“Dialead”制成的耐热型工业罗拉的批量生产，商品名“カ-ボリ-ダ-”。这种新产品即使在高温条件下也不会发生因热膨胀而产生垂度的现象，并维持高速旋转的性能，从而可以提高在制造过程中使用高温炉生产高功能膜等的效率，现已向塑料膜、金属膜、机械等厂家出售，预期到2011年的销售额将达到10亿日元。这种高耐热的CFRP罗拉的热膨胀系数基本上是零，质量只有铝制品的2/3，而刚性为铁的3倍，在100～200 ℃的高温炉内使用时，其旋转性能与在室温下几乎没有两样，例中长3m的罗拉振动精度，在室温下与炉内温度150℃下都是0.05mm以下，为此可以提高液晶电视和太阳电池所需高功能膜的生产效率，并使金属箔的搬运和处理高精度化。日本石墨纤维公司的高性能沥青CF（180t/a）复合材料也应用于印刷机械和制膜机的宽幅罗拉方面。

5、高压气瓶
如所周知，压缩天然气瓶已在汽车上大量使用，而最近伊纤维公司开发了燃料电池汽车所需的CFRP高压氢气瓶，内胆采用铬钼不锈钢，实现了高强度和低成本，并取得了高压气保安协会的认定。该公司现每年生产85万个高压气体容器，是世界最大生产厂家，同时已累积生产15万个汽车用的压缩天然气瓶。这次所开发的压缩氢气瓶因选用CrMo钢内胆，耐氢气发脆特性提高了，可耐超过11250次高压充填氢气，与采用铝合金胆相比，抗拉伸强度为其3倍，由于容器壁薄了，其质量与铝制品同级，而成本低50%以上。另外，东邦Tenax的CF已用于吸氧器制品上。
6、结束语
根据JEC“复合材料工业的结构与动态”一文的预测，2005年全球复合材料的市场为530亿欧元，到2015年预期将增长至880亿欧元，而不同国家和地区的市场情况示于图8，其中中国的市场增长最快，其次是亚太地区，欧美的增长点主要在航空、风能、船艇及建筑业方面，目前越来越多的国外复合材料厂家登陆我国，一批国外汽车厂商在中国设立了研发中心，以达到本土化、降低生产成本和占领一席市场的目的。另据CFRP知名专家Tony Roberts在其著作“2006～2010年全球战略市场评估”中预测，全球CFRP的产值将从2006年的99亿美元增至2010年的136亿美元，到2025年可望超过250 亿美元，其中波音和空客到2010年的小丝束PAN-CF的用量，将占全球的15%～20 %，其次的大型用户是风能叶片，因此这两大应用领域仍是未来CF的主导市场。表1示出全球2007～2012年一般工业领域对CF的需求情况。我国目前正大规模发展风能，但迄今为止仍采用玻璃纤维复合材料（GFRP），今后随着叶片的大型化，势必要发展混杂的复合材料制品，即叶片的加强筋及其圆柱形翼根采用CFRP，而其它部位采用GFRP，只有特大型叶片会考虑采用全CFRP。此外，我国现正研制大型飞机，这对国内CF市场将是巨大的推动力。另外，电缆的CFRP加强芯材也将是我国的大市场，因为高压输电电缆将不断延伸至边远地区。总之，到2020年我国势必将成为CF及其CFRP制品的生产大国。

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表1 2007～2012年一般工业领域对CF的具体需求 t/a

年份	短切纤维	压力容器	风能设备	汽车	土木工程	船舶工业	织物	其它	合计
2007	4700	2600	3300	1400	1200	1000	700	5100	20000
2008	5000	3300	3600	1800	1400	1200	800	6400	23500
2009	5400	4100	3800	2300	1600	1200	800	7100	26300
2010	5800	4700	4100	3000	1800	1200	900	7700	29200
2011	6100	5000	4400	3200	2000	1300	1000	7600	30600
2012	6600	5300	4600	3400	2000	1300	1100	8500	32800

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来源：复材在线