碳纖維是一種以聚丙烯腈、瀝青、粘膠等為原料，經(jīng)預(yù)氧化、碳化或石墨化等工序而制得的含碳量大于90％的高性能纖維，其具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等優(yōu)異性能，在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐腐蝕性出類拔萃，是21世紀(jì)的“新材料之王”，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略性新材料。聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）是工業(yè)化生產(chǎn)的主流產(chǎn)品，其產(chǎn)量占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%。

一、最新研發(fā)進(jìn)展評(píng)述

PAN-CF至20世紀(jì)60年代起步，經(jīng)過(guò)50余年的逐步發(fā)展和提高，其制備技術(shù)和生產(chǎn)工藝基本成熟，歐美國(guó)家碳纖維應(yīng)用市場(chǎng)不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)碳纖維需求日益增加。目前世界上小絲束碳纖維的主要生產(chǎn)商包括日本東麗、日本東邦人造絲、日本三菱人造絲三家公司、美國(guó)的Hexcel公司和Cytec公司、臺(tái)灣臺(tái)塑公司（T800）、土耳其阿克薩公司（T300）。大絲束碳纖維的主要生產(chǎn)商包括美國(guó)Zoltek、Aldila公司，日本東邦、日本東麗和德國(guó)SGL公司等。日本東麗是世界碳纖維的標(biāo)桿生產(chǎn)企業(yè)，代表著高性能碳纖維研發(fā)的最高水平。汽車輕量化是碳纖維潛在的最大應(yīng)用領(lǐng)域，碳纖維的低成本化和高性能化已成為了現(xiàn)今碳纖維的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外正在通過(guò)開(kāi)拓新型的、廉價(jià)的、可替代的碳纖維前軀體以及開(kāi)發(fā)新的工藝方法，以降低碳纖維生產(chǎn)成本。日本九州大學(xué)尹·宮脇研究室以廉價(jià)的無(wú)灰煤（Hyper-coal）作為新型的前軀體，通過(guò)低溫溶劑分離和薄層蒸發(fā)法調(diào)控其相對(duì)分子質(zhì)量分布和氧含量，制備的碳纖維拉伸強(qiáng)度可達(dá)1100Mpa，潛能巨大。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）開(kāi)發(fā)的“新型聚合物+微波碳化+等離子體表面處理”技術(shù)，可大幅度簡(jiǎn)化工藝，使能耗削減50%。三菱公司通過(guò)裂解輪胎冷凝物，合成優(yōu)質(zhì)瀝青，可規(guī)?；a(chǎn)廉價(jià)高性能瀝青基碳纖維及納米碳管。美國(guó)橡樹園國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2001年開(kāi)始低成本碳纖維制備研究，2016年發(fā)放技術(shù)許可，其“大絲束腈綸+微波等離子碳化”技術(shù)可使成本降低50%（70元~80元/千克），同年與復(fù)合材料公司LeMond達(dá)成了專利轉(zhuǎn)讓協(xié)議。德國(guó)碳纖維材料研發(fā)機(jī)構(gòu)MAI碳素公司已獲得德國(guó)政府8000萬(wàn)歐元的支持，用于將碳纖維制造成本降低90%項(xiàng)目的研發(fā)。東華大學(xué)也在跟蹤研究，并已試制出紡速為500~1000m/min的熔融紡絲的低成本PAN原絲；“PAN芳環(huán)化+熔體或干噴濕紡+快速氧化”技術(shù)已獲美國(guó)授權(quán)發(fā)明專利2件、日本授權(quán)發(fā)明專利5件、中國(guó)申請(qǐng)發(fā)明專利3件；該技術(shù)正處于中試階段。

此外，大多數(shù)PAN基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)都在積極開(kāi)發(fā)碳纖維新品種，發(fā)展下游碳纖維材料產(chǎn)業(yè)鏈，包括高壓輸電線、風(fēng)電葉片、工程塑料、汽車部件、壓力容器、結(jié)構(gòu)加固用片材等。例如：東麗公司已決定逐步淘汰T300類碳纖維，重點(diǎn)發(fā)展拉伸強(qiáng)度為4000-5000MPa的碳纖維品種（價(jià)格與T300基本相當(dāng)）；東麗最新研發(fā)成功的超碳纖維（UCF）是TORAYCA^?的T2000，強(qiáng)度高達(dá)60GPa，相當(dāng)于碳纖維理論值（180GPa）的1/3。三菱公司開(kāi)發(fā)50K和60K的大絲束碳纖維新品種“PyrofilP330”，產(chǎn)品綜合性能達(dá)到該公司“TR50S/TRH50”（相當(dāng)于T700水平）小絲束碳纖維的性能水平，可滿足大型風(fēng)電和高壓輸電線張力新材的需求；東邦開(kāi)發(fā)的超高強(qiáng)型的“Tenax-EUTS5524K”新品種，用于深海油田碳纖維復(fù)合材料管道、臍帶式管、纜、高壓容器和新一代飛機(jī)。

二、國(guó)內(nèi)外對(duì)比分析

目前，全球已經(jīng)形成以日本、美國(guó)為代表的典型生產(chǎn)線，東麗集團(tuán)采用DMSO技術(shù)路線，三菱麗陽(yáng)采用二甲基甲酰胺技術(shù)路線，東邦公司則采用氯化鋅技術(shù)路線。國(guó)外碳纖維企業(yè)單線產(chǎn)能大，T300級(jí)別的碳纖維產(chǎn)能一般達(dá)到2,000噸以上，生產(chǎn)線的工位多，生產(chǎn)速度快，干噴濕紡速度的可達(dá)400米/分鐘，碳化速度可達(dá)15米/分鐘。

我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)在過(guò)去10年間已實(shí)現(xiàn)了“從無(wú)到有”的突破，工藝技術(shù)不斷提升，工藝裝備不斷優(yōu)化，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。威海拓展纖維有限公司建成了兩條2500t/a原絲和1000t/a碳纖維生產(chǎn)線，PAN基原絲采用亞砜一步法，進(jìn)行GQ3522和GQ4522碳纖維的批量生產(chǎn)。同時(shí)，威海拓展突破了高強(qiáng)中模T800級(jí)及高模M40J級(jí)碳纖維制備工程化技術(shù)，與進(jìn)口同等級(jí)別碳纖維性能相當(dāng)。江蘇恒神股份有限公司采用三釜串聯(lián)連續(xù)共聚，實(shí)現(xiàn)了高均勻性、高牽伸性聚合物溶液的制備，在國(guó)內(nèi)率先采用大面徑噴絲板技術(shù)，提高了紡絲均勻性，突破了干噴濕紡原絲細(xì)旦化、高取向化的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高紡速的干噴濕紡工藝。其開(kāi)發(fā)的HF50S-12K碳纖維，拉伸強(qiáng)度均值，彈性模量均值達(dá)到日本東麗公司T1000G標(biāo)準(zhǔn)。

目前我國(guó)碳纖維總產(chǎn)能約1.5萬(wàn)噸/年（2016年全球產(chǎn)能約12.8萬(wàn)噸/年），實(shí)際年產(chǎn)量?jī)H為4000噸，開(kāi)工率約20%。30多家國(guó)產(chǎn)碳纖維企業(yè)的規(guī)模普遍偏小，單體企業(yè)年產(chǎn)能約為1000噸～3000噸（東麗產(chǎn)能2.11萬(wàn)噸）。國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)以生產(chǎn)小絲束碳纖維為主，大絲束碳纖維制備部分企業(yè)尚在試生產(chǎn)中。

三、應(yīng)用前瞻

隨著碳纖維價(jià)格下跌，其優(yōu)異性能將被廣泛應(yīng)用于民用各行各業(yè)。汽車行業(yè)中“輕量化”和風(fēng)電行業(yè)中“大型化”將吸引大量碳纖維復(fù)合材料份額，據(jù)Reinforced Plastics推測(cè)，到2020年，全球碳纖維總量中，汽車行業(yè)將占比23%，風(fēng)電行業(yè)占比21%。

（1）航空航天。

廣泛應(yīng)用在火箭、導(dǎo)彈和高速飛行器等航空航天業(yè)，包括主機(jī)翼和機(jī)身。

（2）能源領(lǐng)域。

隨著風(fēng)電葉片長(zhǎng)度的增加，減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維。國(guó)內(nèi)已經(jīng)完成真空灌注超過(guò)70米長(zhǎng)的碳纖維風(fēng)電葉片大梁。

（3）交通運(yùn)輸。

碳纖維制品因卓越的力學(xué)性能是汽車輕量化的首選材料。低成本、高性能的CFRP生產(chǎn)工藝和配套裝備是推進(jìn)碳纖維在汽車輕量化應(yīng)用的根本動(dòng)力。大絲束及其展紗技術(shù)可提供低成本生產(chǎn)原料，3D預(yù)成型體織造技術(shù)可提高零部件性能，樹脂固化時(shí)間大大縮短提高了生產(chǎn)效率。

（4）其他。

如混配模成型、頁(yè)巖氣及氫氣存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)、加氣站的耐高壓容器、碳纖維增強(qiáng)水泥、碳纖維格柵增強(qiáng)混凝土、碳纖維格柵除冰公路及橋梁建筑維修、充電電池、燃料電池、電磁屏蔽塑料、通訊和商用機(jī)器等領(lǐng)域。