【正文】 汽車(chē)工業(yè)汽車(chē)零部件輕量化，小型化已成為未來(lái)汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的重要課題。大型港口內(nèi)的業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)中，選擇使用CFRP巡邏艇可降低船體重量，提高船的可操作性，在挪威港口運(yùn)營(yíng)中CFRP客運(yùn)船已投入商業(yè)化運(yùn)作。表239為全球不同領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)，到2010年全球在自行車(chē)領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量推測(cè)為1183噸。目前，全球的自行車(chē)中，高級(jí)自行車(chē)和特別用途登山車(chē)約占5%，成為CFRP民用的一個(gè)重要方面。不過(guò)，體育用品使用碳纖維的絕對(duì)數(shù)仍在增加，在未來(lái)幾年內(nèi)，%，到2009 年或2010 年，使用量將有可能超過(guò)唱片業(yè)的水平。大量使用碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)品是高爾夫球槽、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、釣魚(yú)竿和自行車(chē)。2003年以后航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，2006年與2001年相比將增長(zhǎng)約40 %，2008年將增長(zhǎng)約76 %，到2010年和2001年相比預(yù)計(jì)增長(zhǎng)超過(guò)100%。除了美國(guó)外，中國(guó)人大會(huì)議最近批準(zhǔn)了400億美元的軍費(fèi)開(kāi)支，軍機(jī)數(shù)量在上升。目前兩大飛機(jī)公司飛機(jī)使用復(fù)合材料增長(zhǎng)情況見(jiàn)下圖。中國(guó)航空公司要增加1459架新飛機(jī)，僅僅是滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)航線(xiàn)。據(jù)市場(chǎng)稱(chēng)，波音和空中客車(chē)每年交付使用客機(jī)大約250350架。碳纖維在飛機(jī)上的比例已從原來(lái)的10%20%上升至50%80%。碳纖維在宇航上的應(yīng)用主要在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和噴管上。拉伸強(qiáng)度拉伸模量密度比模量比強(qiáng)度產(chǎn)地/MPa/GPa/(g日本三大碳纖維生產(chǎn)公司2006年碳纖維業(yè)務(wù)銷(xiāo)售情況及2007年的市場(chǎng)銷(xiāo)售目標(biāo)如下表所示：表233 2006年碳纖維銷(xiāo)售情況及2007年市場(chǎng)預(yù)測(cè) (億日元)20062007企業(yè)銷(xiāo)售額增幅/%銷(xiāo)售利潤(rùn)增幅/%銷(xiāo)售額銷(xiāo)售利潤(rùn)東麗公司68618153900205三菱麗陽(yáng)400104450120東邦紡織3405939365 重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域狀況分析碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱等特性，屬典型的高新技術(shù)產(chǎn)品，表234是幾種碳纖維材料的性能比較。表231東邦集團(tuán)碳纖維擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃 t/a地區(qū)20042005200620072008日本RT 3700RT 3700RT 3700RT 37003700+2700德國(guó)RT 1900RT 1900RT 1900+1500RT 3400RT 3400美國(guó)LT 3500RT 700RT 700RT 700RT 700LT 1300LT 1300RT 1300RT 1300總計(jì)910076009100910011800RT 5600RT 6300RT 7800RT 7800RT 10500LT 3500LT 1300LT 1300LT 1300LT 1300(3) 三菱合成纖維公司在日本豐橋擁有3200噸/年的生產(chǎn)能力，在美國(guó)加利福尼亞州的全資子公司Crafil擁有1500噸/年的生產(chǎn)能力。該項(xiàng)目投資額為5100萬(wàn)歐元，屆時(shí)TohoTenax公司在德國(guó)的碳纖維年產(chǎn)能將達(dá)到5100噸。 kt/ kt/a， kt/a。(1) 日本東麗公司是碳纖維市場(chǎng)領(lǐng)先的生產(chǎn)商，擁有7400噸/年能力，包括soficar公司(東麗工業(yè)公司和阿托菲納公司70/30的合資企業(yè))中的份額。美國(guó)碳纖維總產(chǎn)量居于世界第二(以大絲束為主)，年產(chǎn)量超過(guò)1萬(wàn)噸，主要制造商有卓爾塔克(ZOLTEK)、阿克蘇(AKZO)、阿爾迪力(ALDILA)等公司。羅伯茨對(duì)這些行業(yè)碳纖維需求的預(yù)測(cè)是樂(lè)觀(guān)的(見(jiàn)表229)。羅伯茨對(duì)現(xiàn)有的和宣布的碳纖維生產(chǎn)計(jì)劃、終端市場(chǎng)生產(chǎn)趨勢(shì)加以分析。2003年之后，航空航天，風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求快速增長(zhǎng)，全球碳纖維市場(chǎng)出現(xiàn)供給緊張局面。通常認(rèn)為小絲束碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際產(chǎn)量較產(chǎn)能低20%35%，大絲束碳纖維實(shí)際產(chǎn)量比產(chǎn)能低大約10%。以2001年的需求量為基準(zhǔn)，航天航空領(lǐng)域年需求平均增長(zhǎng)率為10%，%，%。表223數(shù)據(jù)表明，世界碳纖維的主要消費(fèi)地在20012010年這十年來(lái)，對(duì)碳纖維的需求呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，北美的需求最大，次之是歐洲。綜合產(chǎn)能和需求變化，全球碳纖維行業(yè)在未來(lái)幾年中仍可維持兩位數(shù)的增長(zhǎng)，且供小于求。北美及歐洲是碳纖維的主要需求地，兩地的需求量約占全球總需求量的2/3。表220 1993～2007年世界PAN基碳纖維的消費(fèi)量(噸)(按地區(qū)) 年份 國(guó) 家1993199720022007平均年增長(zhǎng)率(%)1997200220022007美國(guó)36466262567079527西歐1220226052008660日本1974258228623550中國(guó)1450180027004200其它1291138325133266總計(jì)9581142871894527577表221 世界碳纖維生產(chǎn)與消耗 t/a年份產(chǎn)量消耗備注19981700016900供略大于求20031990019900供求平衡20082510030900供不應(yīng)求19982003增長(zhǎng)率/%20032008增長(zhǎng)率/%表222世界碳纖維按應(yīng)用領(lǐng)域的消耗 %年份各領(lǐng)域碳纖維消耗占總消耗的百分比總的碳纖維消耗工業(yè)應(yīng)用航空航天體育用品19983125442003422335200851232619982003增長(zhǎng)率/%20032008增長(zhǎng)率/%綜合表221和表222的數(shù)據(jù)，我們可以得出結(jié)論：19982008年，碳纖維在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的消耗是持續(xù)增長(zhǎng)的，航空航天領(lǐng)域基本保持平衡，而體育用品在碳纖維應(yīng)用的比例將持續(xù)下降。剩下的14%大部分為其它亞洲國(guó)家用于不同的最終用途。美國(guó)是世界碳纖維的最大用戶(hù)，緊跟其后的是西歐。2002年國(guó)外PAN基碳纖維的消費(fèi)結(jié)構(gòu)見(jiàn)表219。世界碳纖維的消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍然集中在工業(yè)應(yīng)用、航天航空和體育休閑三個(gè)方面，工業(yè)應(yīng)用約占總消費(fèi)量的58%；航空航天方面應(yīng)用約占23%，體育運(yùn)動(dòng)器材應(yīng)用約占19%。從表中可以看出，亞洲小絲束碳纖維生產(chǎn)在2006年后出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，%%；而亞洲大絲束碳纖維生產(chǎn)沒(méi)有明顯的變化。2006年以后，碳纖維應(yīng)用擴(kuò)展到民用領(lǐng)域，大絲束的需求迅速增加，從而帶動(dòng)了碳纖維生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)大大絲束碳纖維生產(chǎn)能力。特別是空中客車(chē)公司的A380和波音公司的B787客機(jī)對(duì)碳纖維的巨大需求。175008050390009500 臺(tái)塑表214 20052006年世界碳纖維生產(chǎn)能力 t生產(chǎn)廠(chǎng)家2005年2006年宇航級(jí)工業(yè)級(jí)宇航級(jí)工業(yè)級(jí)東麗900030010800300東邦6260130077401300三菱46404640赫克塞爾19801980蘇泰克18001800卓爾泰克44604460愛(ài)思奇愛(ài)爾19001900阿爾迪拉10001000臺(tái)塑18001800總計(jì)25480896028760896020052006年期間，世界碳纖維產(chǎn)業(yè)進(jìn)入一段穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期，從表214。 t/a表210 2002年世界聚丙烯腈基碳纖維主要生產(chǎn)商　t/a生產(chǎn)商生產(chǎn)能力小絲束東麗(Toray)7300東邦(Toho)5500三菱(MRC)4700赫克賽爾(Hexcel)1980阿莫科 (Amoco)1890臺(tái)塑1750其它45合計(jì)23165大絲束福塔菲爾(Fortafil)3500卓爾泰克(Zoltek)1800阿爾迪拉(Aldila)1000愛(ài)斯奇愛(ài)爾(Sgl)1800東麗(Toray)300合計(jì)8400總計(jì)31565 2003年，國(guó)外PAN基碳纖維的生產(chǎn)能力約為30250 t/a，其中小絲束18800t/a，大絲束碳纖維11450 t/a。據(jù)2003年統(tǒng)計(jì)，19972000年世界碳纖維生產(chǎn)能力按企業(yè)分布如上表29所示。預(yù)計(jì)隨著碳纖維低成本化趨勢(shì)和向民用領(lǐng)域和一般工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，大絲束的生產(chǎn)能力還將繼續(xù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。ZOLTEK公司20052008年大絲束碳纖維生產(chǎn)能力統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)見(jiàn)表27。表25 20042008年世界小絲束碳纖維生產(chǎn)能力的比例分布/% (按地區(qū)) 地區(qū)20042005200620072008亞洲美洲歐洲 世界大絲束碳纖維生產(chǎn)能力世界大絲束碳纖維生產(chǎn)主要集中在美國(guó)、德國(guó)和日本，其產(chǎn)量大約是小絲束碳纖維產(chǎn)量的33%。2005年后的增長(zhǎng)是由于飛機(jī)制造和風(fēng)電行業(yè)對(duì)碳纖維需求的增加。2005年，三家生產(chǎn)能力分別為9100 t/a，6300 t/a和4700 t/a，%，%%，%。全球碳纖維生產(chǎn)能力預(yù)測(cè)他還表示，目前全球大絲束碳纖維實(shí)際生產(chǎn)能力為14500 噸，到2014年，會(huì)增長(zhǎng)到30000 噸左右。表21 20052008年世界碳纖維總生產(chǎn)能力統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè) (t/a)年份2005200620072008生產(chǎn)能力33700416005310061900對(duì)2005年的增幅/%0從2008年開(kāi)始全球碳纖維行業(yè)將加快發(fā)展，碳纖維生產(chǎn)將加大力度，不少生產(chǎn)線(xiàn)會(huì)上馬，碳纖維的生產(chǎn)能力將以空前的速度增長(zhǎng)。由于日本三菱人造絲公司和東麗公司的擴(kuò)能計(jì)劃，20022005年， kt/ kt/a。一般產(chǎn)業(yè)對(duì)碳纖維材料的應(yīng)用發(fā)展比較迅速，包括基礎(chǔ)設(shè)施的修復(fù)、更新和加固；新能源開(kāi)發(fā)如沿海油氣田、深海油田的鉆井平臺(tái)、管道和纜繩等，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)的螺旋槳和風(fēng)葉；汽車(chē)的剎車(chē)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、車(chē)身以及環(huán)保汽車(chē)用的壓縮天然氣氣瓶；電子領(lǐng)域的應(yīng)用主要有通信、廣播、地球觀(guān)測(cè)、空間探測(cè)以及各種飛行器的高精度天線(xiàn)。目前，碳纖維的市場(chǎng)需求在北美、歐洲、亞洲基本上呈鼎足之勢(shì)。另外，因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)材料、夾層芯材和嵌件一體成型的可行性，使船身等大型構(gòu)件的成型成為可能。帶有數(shù)字控制(NC)的自動(dòng)鋪層法：在航空飛機(jī)部件的高壓釜成型中，為了優(yōu)先使曲面形預(yù)浸料鋪層合理化和高速化，引入了帶NC的自動(dòng)鋪層機(jī)。(1) 碳纖維性能的提高為了適應(yīng)用途方面的性能提高，謀求強(qiáng)度、彈性模量及成本的平衡： PAN基碳纖維的抗壓縮強(qiáng)度提高—通過(guò)把硼離子在高電壓下進(jìn)行加速照射，使結(jié)晶結(jié)構(gòu)微細(xì)化，；高彈性模量化—PAN基碳纖維彈性模量達(dá)到690 GPa， GPa；碳纖維的界面控制—為了提高耐沖擊性，使碳纖維和基體樹(shù)脂的粘接平衡，對(duì)碳纖維界面進(jìn)行表面處理；碳纖維價(jià)格降低。(3) 研究發(fā)展新的碳化和石墨化技術(shù)。(2) 研究發(fā)展新的預(yù)氧化技術(shù)。東麗公司則研制一種三葉形斷面的PAN原絲及碳纖維，可改進(jìn)與樹(shù)脂的粘合性、壓縮強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。在新工藝和新技術(shù)方面，日本三大公司和韓國(guó)cheil合成工業(yè)公司繼承發(fā)明了PAN原絲至碳化等系統(tǒng)的新技術(shù)，其中三菱人造絲公司提出相當(dāng)于T700性能水平碳纖維的PAN原絲指標(biāo)。提高是指小絲束碳纖維(1～24K)的質(zhì)量提高，普及是指大絲束碳纖維(48~540K)的產(chǎn)量大幅度增加，價(jià)格日趨下降。用碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料近年來(lái)發(fā)展較快，其特點(diǎn)是：強(qiáng)度與剛性高，蠕變小，熱穩(wěn)定性高，線(xiàn)膨脹系數(shù)?。簻p摩耐磨，不損傷磨件，阻尼特性?xún)?yōu)良。目前碳纖維增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。(2) C/C復(fù)合材料它是由碳纖維或織物、編織物等增強(qiáng)碳基復(fù)合材料構(gòu)成，主要由各類(lèi)碳組成，即纖維碳、樹(shù)脂碳和沉積碳。碳纖維產(chǎn)品形式及加工制品如上表12所示。二甲基亞砜(DMSO)法是目前國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最先進(jìn)的工藝，DMSO腐蝕性小，可以靠簡(jiǎn)單的減壓蒸餾提純，日本東麗公司采用了該工藝。目前PAN基碳纖維的主要生產(chǎn)方法有硝酸法、硫氰酸鈉法、DMF法和二甲基亞砜(DMSO)法等。 碳纖維的物理性能由于碳纖維具有出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，特別是在2000℃以上的高溫惰性環(huán)境中，碳材料是唯一強(qiáng)度不下降的物質(zhì)，是其它主要結(jié)構(gòu)材料(金屬及其合金)所無(wú)法比擬的。對(duì)于PAN基碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)來(lái)說(shuō)，原絲占成本價(jià)格的56—65%左右，原絲價(jià)格低必然使碳纖維價(jià)格隨之而下降。同時(shí)，12K以上碳纖維的性能也可滿(mǎn)足航天航空工業(yè)的需求，性能與價(jià)格比占有一定優(yōu)勢(shì)。值得注意的是日本東麗公司、三菱公司也開(kāi)始大量生產(chǎn)24K及以上級(jí)別大絲束碳纖維。東麗公司更是世界上高性能碳纖維研究、生產(chǎn)的“領(lǐng)頭羊”。對(duì)于高性能PAN基碳纖維，美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家均極為重視，在研發(fā)、生產(chǎn)方面給予經(jīng)費(fèi)、人力上的大力支持，并獲得成功。起初，碳纖維主要用于軍工和宇航，經(jīng)過(guò)40余年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正在向工業(yè)領(lǐng)域和普通民用領(lǐng)域擴(kuò)大。世界PAN 基碳纖維生產(chǎn)廠(chǎng)商主要有日本Toray(東麗)、Toho(東邦)、Mitsubishi Rayon(三菱人造絲)，美國(guó)Hexcel(赫克塞爾)、Amoco(阿莫科)和Zoltek(卓爾泰克)等公司。瀝青基碳纖維主要生產(chǎn)廠(chǎng)商有日本Mitsubishi Chem(三菱化學(xué))、Kureha (吳羽)、Donac與美國(guó)Amoco 公司。現(xiàn)已發(fā)展成為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維兩大種類(lèi)。特別是