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能，形成新一輪的擴產熱潮。國外的碳纖維廠家基本實現(xiàn)了從PAN原絲、碳纖維、預浸料至復合材料或其制品的產業(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)利潤預期將恢復至25億日元，主要原因是①體育用品及一般產業(yè)用途的產品價格已恢復，②日本國內上了新生產線，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的生產卻從預定的月產5架增至7架，因此對東麗的PAN-CF銷售并無影響。此外，B-777飛機的產量也擴大了，因此對PAN-CF在該領域的需求無影響。

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域的應用，同時到2013年底B-787的產量將從月產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，東麗正探討量產所需碳纖維。東麗面向風力發(fā)電葉片等產業(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部件生產企業(yè)Carbon Magic公司，它擁有高精度熱壓罐技術，可生產汽車部件、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生產廠后，2014年3月將在龜尾新建2500t/a的新設備，使TAK的產能達到4700t/a，以滿足新市場的需求。東麗目前的產能為21100t/a，計劃到2015年3月PAN-CF總產能達到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碳纖維及預浸料獲日本內閣總理大臣獎。 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的一般產業(yè)用途。 123,123

 
圖1 123456

 

  
      帝人確立了面向汽車部件的CFRP在1min以內的成型技術，與以往法相比生產速度提高了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，使該公司的總產能達到18900t/a，預期到2021年3月碳纖維產業(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，產能為日產1萬個碳纖維增強熱塑性樹脂（CFRTP）制品的中試設備，于松山事業(yè)所投產，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?，F(xiàn)帝人在美國底特律市郊建立銷售CFRTP制品和開展應用開發(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構材料為中心的用途開拓。 copyright 123456

1.3 三菱麗陽

       三菱麗陽預測，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。

      從供應面看，世界PAN-CF的總產能預期將以年均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業(yè)鏈。

       繼2012年6月在大竹事業(yè)所投產2700t/a的大絲束“P330”系列PAN-CF的生產線使總產能達到1.1萬t/a后，計劃再建1條2700t/a的同樣生產線，以確保到2015年總產能擴大至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，因此正探索構筑從原絲到碳纖維的一整套新生產基地?？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生產線并于2013年4月投產，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家日本國內外下游企業(yè)協(xié)作以擴大碳纖維產業(yè)鏈，今后2年間還將與10家企業(yè)協(xié)作，以構筑新的集團體制，其中包括與風電葉片廠家締結同盟協(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)，前者擁有熱壓罐設備，并設計制造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備，后者是碳纖維多軸織物的生產廠家，其技術實力和開發(fā)力高，在汽車和一般產業(yè)領域擁有實績，今后可將三菱生產的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碳纖維預浸料，由三菱麗陽長期供應碳纖維，同時向我國青島廠穩(wěn)定供應碳纖維。

       為強化碳纖維高爾夫球桿和預浸料產業(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先的碳纖維制高爾夫球桿生產廠家，在加州和越南胡志明市有生產據點，擁有從預浸料到成品的整套生產線，在設計能力、品質、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產業(yè)，自2012年第四季度起便改造現(xiàn)有設備，現(xiàn)已開始生產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高技術綜合企業(yè)建設新PAN-CF廠，產能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纖維公司預計將興建2條PAN-CF生產線，一期工程將投資6300萬歐元（250萬盧布）興建1500t/a的生產廠，總工程費1.06億歐元（420萬盧布）。

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      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所運營的俄羅斯預浸料ACM公司與復合材料納米技術中心兩公司出資建設碳纖維中間體及復合材料生產線。其中道化學擁有復合材料技術，而DOW-AKSA擁有PAN原絲及碳纖維生產技術。
2010年印度Kemrock工業(yè)公司在Vadodara開創(chuàng)了印度首家PAN-CF生產線，包括丙烯腈聚合、紡絲和碳化，技術來自Bengaluru的CSIR國家航天實驗室，產能為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先的制造企業(yè)之一，現(xiàn)已生產出一系列用于工業(yè)用途的碳纖維產品，并生產CFRP和預浸料供應國防、航天、風能、交通運輸和土木建筑行業(yè)。

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       ZOLTEK為適應風能和其他用途對低成本碳纖維預浸料日益增長的需求，決定在美國圣路易郊區(qū)擴建新的預浸料生產裝置及新的技術中心。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和樹脂供應商Scott Bader合作憑借被稱作Axontex的國際專利技術，開發(fā)全碳纖維汽車一次結構材料，預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，形成三維織物結構，質量只有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)療等領域的應用。 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廠家之一，最近利用獨自的復合材料積層設計和簡狀制品的高品質成型加工技術，以及新確立的硬質鉻的電鍍技術，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“建筑技術性能證明”的認定，并開始銷售。 內容來自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、半導體制造設備、車輛機械等的應用，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)公司建設了CFRP成型用的預浸料專用工廠，預計2013年秋開始投產，使產能擴大至以往的7倍，約月產20萬m?，F(xiàn)該公司保留2條溶劑法預浸料生產線，用于生產少量的多品種特殊制品，其他為適應于高效大規(guī)模生產的熱熔法預浸料生產線，產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以上碳纖維預浸料加以積層。在我國根據風電發(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、均勻的表面結構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，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構。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)據輸入所有卷繞參數(shù)而實現(xiàn)快速高效的產品更換、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狀預成形體的技術。

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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片的技術（一般的技術只能采用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）最近建成產能500t/a（一期工程）的環(huán)氧樹脂固化劑廠，產品提供給B-787的CFRP部件生產企業(yè)等。

結束語 內容來自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)略上須構筑從原料、PAN原絲、碳纖維、預浸料、織物至CFRP制品和部件的全套產業(yè)鏈，實現(xiàn)利潤最大化。不具備條件的企業(yè)可與相關上下游企業(yè)建立戰(zhàn)略伙伴關系。 本文來自123

      為了擴大PAN-CF的應用領域，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的混合預浸料取得了取長補短的效果。應重視高韌性樹脂和相應固化劑的產業(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，但在產能集中度方面尚有大量工作需要協(xié)調解決。