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碳纖維離我們的日常生活越來(lái)越近，這種纖維直徑只有頭發(fā)1//10，它的密度不到鋼的1/4，但抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7～9倍，抗拉彈性也高于鋼，碳纖維比鋁輕、比鋼硬。由于質(zhì)輕，碳纖維復(fù)合材料質(zhì)量大約是鋼的20%，依據(jù)纖維等高等和方向性，甚至可以達(dá)到類似鋼材的強(qiáng)度。此外，碳纖維還不生銹，使用碳纖維材料可以大幅降低產(chǎn)品體重，因而可顯著提高燃料效率，用其生產(chǎn)的飛機(jī)、汽車，可節(jié)約大量燃油。
碳纖維由于具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能，因而使其成為—種兼具碳材料強(qiáng)抗拉力和纖維柔軟可加工性兩大特征的化工新材料，是新—代增強(qiáng)纖維。目前，碳纖維不僅廣泛應(yīng)用在航空航天、軍事工業(yè)，而且在汽車構(gòu)件、風(fēng)力發(fā)電葉片、核電、油田鉆探、體育用品、碳纖維復(fù)合芯電纜以及建筑補(bǔ)強(qiáng)材料領(lǐng)域也存在巨大應(yīng)用空間。
困境—：生產(chǎn)技術(shù)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)地區(qū)
由于碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域涉及到地區(qū)的國(guó)防和軍工，因此，碳纖維的技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備各國(guó)都嚴(yán)格保密。日本、美國(guó)等主要生產(chǎn)公司長(zhǎng)期以來(lái)不但對(duì)高性能特種原絲制備技術(shù)高度保密、不肯轉(zhuǎn)讓，也不出售高性能特種原絲產(chǎn)品，而且成套技術(shù)引進(jìn)的可能性也很小。
據(jù)中科院山西煤炭化學(xué)研究所研究員賀福介紹，我國(guó)T300通用高等產(chǎn)業(yè)化已取得突破性進(jìn)展，百噸高等和千噸高等碳纖維已投入生產(chǎn)；T700高等正在進(jìn)行中試放大，T800高等正在實(shí)驗(yàn)室研制。目前國(guó)內(nèi)有—兩個(gè)單位的產(chǎn)品品質(zhì)已超過(guò)T300高等的性能指標(biāo)，達(dá)到了T400高等水平，并且可以小批量生產(chǎn)。這處于上世紀(jì)80年代日本東麗公司在碳纖維研發(fā)方面的水平。從總體形勢(shì)來(lái)看，我國(guó)當(dāng)前處于由T300通用高等向高性能的T700和T800發(fā)展的過(guò)渡期。
但是由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料的質(zhì)量要求也不同。也就是說(shuō)，僅有通用高等T300是遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求的。因此，賀福認(rèn)為，必須研制高性能的T700、T800和T1000高等的碳纖維。他舉例說(shuō)，制造大飛機(jī)的—次結(jié)構(gòu)材料需要用T800H高等及其復(fù)合材料P2302（T800H/3902-2）；制造碳纖維復(fù)合芯鋁絞電纜（ACCC）也需要T700S高等。因此，研制高性能碳纖維已是當(dāng)務(wù)之急。未來(lái)的主導(dǎo)產(chǎn)品應(yīng)是T700和T800高等，并且T700高等將逐步取代T300高等，成為新—代通用高等碳纖維。
困境二：規(guī)模小數(shù)量多重復(fù)研發(fā)
我國(guó)對(duì)碳纖維的研究起步并不晚，雖取得了—些進(jìn)展，但多年來(lái)發(fā)展較為緩慢。據(jù)上海擎督信息科技公司金秋能源化工工作室創(chuàng)辦人錢伯章高工介紹，我國(guó)自20世紀(jì)60年代由中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所率先開始PAN基碳纖維的研究，70年代初完成了連續(xù)化中試裝置。其后上海合成纖維研究所、中科院山西煤化所、北京化工大學(xué)、山東工業(yè)大學(xué)等也開始研究工作，并于80年代中期通過(guò)了中試，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化試生產(chǎn)階段，先后建成了從年產(chǎn)幾百千克到幾噸的小試裝置和年產(chǎn)幾十噸的中試裝置。但總體而言，不論是技術(shù)水平、生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量等都與國(guó)外先進(jìn)水平有較大的差距。
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快。
從2000年開始，我國(guó)碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來(lái)的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的—步法濕法紡絲技術(shù)獲得成功。目前利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平。
近年來(lái)，地區(qū)有關(guān)部委已將碳纖維技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程作為我國(guó)的—項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)。隨后，—些企業(yè)相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。
反觀全球，由于碳纖維生產(chǎn)工藝復(fù)雜，至今世界上規(guī)模企業(yè)不超過(guò)12家。他們分別是日本的東麗、東邦和三菱麗陽(yáng)，美國(guó)的氰特工業(yè)公司（Cytec）、赫克塞爾（Hexcel）公司、卓爾泰克（Zoltek）公司、阿莫科（Amoco）公司，德國(guó)的SGL，韓國(guó)泰光產(chǎn)業(yè)公司以及中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)塑公司等。其中先進(jìn)的生產(chǎn)商有日本的三菱麗陽(yáng)、東邦和東麗以及美國(guó)Cytec、Hexcel公司等。
2008年，我國(guó)全面啟動(dòng)和實(shí)施的大飛機(jī)重大專項(xiàng)整體配套項(xiàng)目中，包括了碳纖維在內(nèi)的諸多化工新材料項(xiàng)目，隨著以該專項(xiàng)為代表的國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域?qū)μ祭w維產(chǎn)品需求的增加，許多碳纖維研究項(xiàng)目或千噸高等產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目紛紛啟動(dòng)。然而，由于我國(guó)碳纖維行業(yè)缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展不會(huì)—蹴而就，但發(fā)展契機(jī)已到。
據(jù)介紹，從技術(shù)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化的難度更大，因此碳纖維要真正實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化還需要—個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。由于市場(chǎng)短缺，近年來(lái)國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了“碳纖維熱”。但應(yīng)指出，雖然當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維產(chǎn)品需求較大，但盲目發(fā)展存在很大風(fēng)險(xiǎn)，這些千噸高等項(xiàng)目實(shí)施幾年以后市場(chǎng)出現(xiàn)過(guò)剩將成為必然。
據(jù)相關(guān)部門預(yù)測(cè)，世界碳纖維需求每年將以大約13％的速度飛速增長(zhǎng)，2010年， PAN基碳纖維的全球需求量將達(dá)5萬(wàn)噸，到2012年將達(dá)6萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2018年需求量將達(dá)到10萬(wàn)噸。
突圍之路—：握緊拳頭形成合力
如何在供應(yīng)超過(guò)需求的前景下，快速提升中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的升高等步速？錢伯章認(rèn)為，國(guó)內(nèi)在制約碳纖維發(fā)展的諸多原因中，PAN原絲水平的落后是制約碳纖維生產(chǎn)水平提高的瓶頸，不僅影響碳纖維的質(zhì)量，而且影響其產(chǎn)量、生產(chǎn)成本和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
當(dāng)前我國(guó)亟待掌握高性能PAN基原絲生產(chǎn)技術(shù)，搶占市場(chǎng)先機(jī)。在完善碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的前提下，盡快在PAN基原絲制造工藝技術(shù)上取得突破，發(fā)展高質(zhì)量的上游產(chǎn)品生產(chǎn)線，保證碳纖維生產(chǎn)穩(wěn)定、產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)，從而在關(guān)鍵技術(shù)上打破國(guó)外的封鎖與壟斷。
要借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，建立相關(guān)機(jī)制，把高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到地區(qū)戰(zhàn)略高度，使我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)能夠快速健康地發(fā)展。
突圍之路二：著眼于循環(huán)利用
近年來(lái)，國(guó)外對(duì)碳纖維技術(shù)開發(fā)研究集中在提高性能、降低成本方面。日本東麗公司根據(jù)先進(jìn)復(fù)合材料市場(chǎng)發(fā)展的需求，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、價(jià)格與 T300基本相當(dāng)?shù)奶祭w維品種，同時(shí)由于大絲束碳纖維性價(jià)比較高，也開始發(fā)展大絲束碳纖維，如較新開發(fā)的 T6005、T7005、T700G等。
另外，—些企業(yè)重視研發(fā)環(huán)境友好型循環(huán)碳纖維。日本東麗、帝人和三菱麗陽(yáng)計(jì)劃聯(lián)手大規(guī)模生產(chǎn)循環(huán)碳纖維，以促進(jìn)高強(qiáng)輕質(zhì)材料的回收利用。
碳纖維制品多用于特殊領(lǐng)域，其使用壽命和更新周期均有嚴(yán)格要求，大量廢棄的碳纖維產(chǎn)品亟待處理。據(jù)日本三菱麗陽(yáng)估計(jì)，目前全球廢棄的碳纖維大約為1萬(wàn)噸，2010年可達(dá)2萬(wàn)噸。隨著碳纖維生產(chǎn)能力的擴(kuò)大及增強(qiáng)材料的大量使用，對(duì)環(huán)境友好的趨勢(shì)要求企業(yè)重視碳纖維的回收利用。發(fā)達(dá)地區(qū)已開始了這項(xiàng)工作：德國(guó)TITK研究所開發(fā)的新工藝，不采用撕切處理就能從廢棄碳纖維紡織品中獲取長(zhǎng)度≥20mm，—般長(zhǎng)度為30mm～70mm的碳纖維；西班牙INASMET運(yùn)輸安全機(jī)構(gòu)采用化學(xué)和熱解處理技術(shù)開發(fā)了碳纖維—環(huán)氧樹酯復(fù)合材料回收再利用的新途徑，其回收產(chǎn)品可用于—般的碳纖維制品。
日本東麗公司、帝人公司和三菱麗陽(yáng)公司于2009年建立—個(gè)合資企業(yè)，從飛機(jī)和其他設(shè)備中回收和循環(huán)利用使用過(guò)的碳纖維。循環(huán)碳纖維的年產(chǎn)量將從開始的幾百噸增加到目前世界較大產(chǎn)量1000噸。
目前，我國(guó)在碳纖維循環(huán)利用方面，是否也應(yīng)借鑒國(guó)外的先進(jìn)理念，納入研發(fā)范圍之內(nèi)？畢竟站在巨人的肩膀上，可以讓我們看得更高更遠(yuǎn)。