国际碳纤维市场最新研发动态浅析
By www.carbonfiber.com.cn
碳纤维应用领域日益广泛
目前，世界碳纤维生产企业主要有日本的东丽、东邦和三菱公司，美国的赫氏，德国的西格里集团，韩国泰光产业，以及台塑集团等。东丽是世界上最大的生产商，已经开发出高强型T1000（拉伸强度大于7000MPa）系列碳纤维，其抗拉模量为295GPa，拉伸强度达7.05GPa。
随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势。据相关部门预测，世界碳纤维需求将以每年大约13%的速度飞速增长，碳纤维的全球需求量2010年将达到5万t，2012年将达到6万t，2018年将达到10万t。
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等特性。除土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生领域外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施建设等领域也有着广泛的应用。随着应用研究的进一步深入，未来碳纤维产品将趋向于高性能化，民用、工业用量将继续保持大幅增长趋势。
日本
1.基本情况
目前日本东丽、帝人和三菱等3家企业在世界碳纤维市场的占有率为69％，特别是在准芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高强度、高弹性材料，以及元芳纶纤维等耐高温的高性能材料等方面，具有较强的技术优势。
尽管在目前，日本70％全球市场占有率的碳纤维原丝产量中，35％为国内生产（其中25％供应海外市场），35％为海外生产（其中5％供应日本市场）。日本除在原丝领域具有很强的垄断地位外，在使用50％碳纤维的飞机用材料领域更是世界唯一的供应商，产业和技术优势明显。
目前，这些高强度、高弹性及高性能的碳纤维材料，已经被广泛用于日本的汽车、飞机、建筑、环保、医疗、农林业、IT以及通信业等多个领域，未来还将在节能及相关领域创造更大的市场。碳纤维的需求量也将由2010年的27,000t，增加到2020年的125,000t。
近期，由于地震和海啸等自然灾害，日本本土的部分碳纤维生产企业受到了影响。鉴于日本碳纤维产量在世界市场份额上的重要地位，其本土碳纤维生产装置开工率水平下降将会在一定程度上影响世界碳纤维的供给。
2.研发动态
2.1. 高传导率碳纤维的成功开发
日本东洋纺绩株式会社和Polymatech公司已成功开发了热传导率超过沥青基碳纤维的新型碳纤维。新开发的碳纤维的热传导率约是铜的3倍，铝的5倍，在市场流通的散热材料中被归属于高传导率材料。该产品呈粉末状态，添加树脂后，可制造成容易散热的零部件 。据悉，Polymatech已使用其生产散热材料并开始销售。据悉，东洋纺绩也将开始粉末状的碳纤维样品生产，在电子器械用散热零部件及其保护器（箱）领域进行推广。
2.2. 东京大学研发酚醛纳米碳纤维非织造材料
日本东京工业大学以酚醛树脂为原料，利用静电纺丝法，成功开发出不易弯曲破坏的纳米碳纤维非织造材料。研究人员将该材料高度弯曲并生成碳纳米管，使其具有在使用一般硅基板的一半电压就可以通电流的特性，是一项首创技术。一般以聚丙烯腈为原料的纳米碳纤维非织造材料的弯曲强度低。因此，该材料有望用于开发节能基板、显示器、照明用电子源、汽车用二次电池的电极、传感基板等。
2.3.5年内日本碳纤维汽车有望商品化
在目前的汽车中，钢铁材料约占车体重量的四分之三；而“碳纤维汽车”中新材料几乎可以完全替代钢铁材料。报道说，“碳纤维汽车”相比目前的汽车，最多将减重40％。
然而阻碍“碳纤维汽车”商品化的关键因素是制造成本。目前汽车用钢材的价格约为每公斤100多日元，铝合金材料约为每公斤300至400日元，而汽车用碳素纤维复合材料的成本目前高达每公斤数千日元。
为此，东丽公司、汽车巨头日产及本田公司，还有东京大学等高校研究机构正联合进行科研攻关，他们的目标是在2015年前后使这一材料技术达到商品化阶段。
俄罗斯最新研发动态
1. 电碳纤维吸附剂研究
俄罗斯圣彼得堡国家和大学研究用于蓄电池的导电活性碳纤维吸附剂，碳纤维是粘胶基的，用700℃――800℃碳化，成碳纤维以后的工艺有两种工艺方案，第一种对碳纤维进行1100℃――1500℃最终温度的热处理，使碳纤维具有导电性，然后在850℃下进行活化。第二种先进行碳纤维活化，然后热处理。再下道工序两者相同――改性，成为导电活性碳纤维。着重研究了碳纤维的孔隙度、孔的结构，热处理的温度，活化的温度和时间等因素，对导电活性碳纤维吸附剂几大性能指标――导电性、吸附性、电容量的影响。
2.碳纤维材料应用于飞机零部件制造
俄罗斯从上世纪八十年代起，由莫斯科国立设计和工艺大学、国家航空工艺研究院股份公司等单位，用RTM技术成功研制了“暴风雪”号轨道飞船的热防护罩和飞船外缘板。近年两单位合作，将碳纤维织物转向民用飞机零部件的研发，主要课题从三方面进行：1) 制造涡轮喷气式双回路发动机的排风叶片；2）研制整块无缝织物、三维条子增强的发动机叶片；3）研制碳纤维和玻璃纤维织物增强的飞机舷窗框。
两研究单位与企业共同进行科研和设计——实验工作，研制结果证明，用碳纤维和玻璃纤维代替航空工业的贵金属虽有一定的难度，但零件重量可减轻30-50%，成本可下降二分之一到三分之一。另外碳纤维在破损时变成较软的材料，比较安全，不会产生金属样的危险碎片。
3.聚酰亚胺/纳米碳纤维复合材料研究
俄罗斯高分子化合研究院试验用聚酰亚胺结晶、纳米碳纤维、碳微纤维制造复合材料（碳塑料）。 聚酰亚胺能从熔融物中结晶，结晶的结构可以提高材料的耐热性、耐水性和耐碱性。研究用1,3-双-(3,3'',4,4''-二羧基苯氧基)苯和4,4''-双-(4-氨基苯氧基)-二苯基作复合材料的粘合剂。聚酰亚胺结晶、粘合剂颗粒、改性日本产纳米碳纤维（含量占3％）、俄产“爱鲁尔”碳微纤维（含量占55％），在实验室条件下制成复合材料。实验中聚酰亚胺结晶的延续时间仅为通常的十分之一，复合材料层间破坏粘度增高，复合材料的结晶度达到40％。这项研究得到俄罗斯联邦政府的资金支持。
其他地区
1.美国与中国台湾合作开发航天碳纤维
中国台湾地区的工业研究院与美国最大航空零组件制造商势必锐航天公司合作，双方将共同开发航天碳纤维，预估3~5年内能通过美国联邦飞行总署(FAA)认证并进入量产。
中国台湾地区其实很早就在发展碳纤维，如网球拍、自行车等，都是其在国际市场上著名的碳纤维商品，但在高端碳纤维市场，特别是在航天用碳纤维方面，始终是日本独强局面，台湾的工研院及经济部一直积极寻找突破之道。而在未来通过势必锐航天的协助，台湾地区的碳纤维厂商更有机会取得FAA的认证，一举突破现在的技术门坎与认证困难。
势必锐航天是自美国波音公司独立出来的公司，成立4年，目前接单已经高达340亿美元，是美国最大的航空零组件厂商，在美国市场占有率高达6~7成。据悉，未来与势必锐航天的合作目标是能够开发出新一代航天碳纤维技术，预估在3~5年内就会有技术通过认证及量产，未来会以权利金的方式将技术移转给台湾地区碳纤维从业者。
2.德国研制航天用碳纤维增强陶瓷瓦
据德国《世界报》消息，德国航空航天中心（DLR）新发明了一种碳纤维耐热陶瓷瓦，有望解决目前美国航天飞机耐热陶瓷瓦脱落的难题。碳纤维增强耐高温陶瓷瓦是确保航天飞机飞行安全的重要部件，美国发现者号航天飞机上，就有约2.5万多块耐热陶瓷瓦。陶瓷瓦在进入大气层时经历高温摩擦，会出现大片脱落，是造成航天飞机事故甚至机毁人亡悲剧的重要原因。美国宇航局一直在致力改善耐热陶瓷瓦的性能，但至今仍未取得突破性进展。
德国航空航天中心采用一种新的制造工艺，使生产的碳纤维增强碳化硅陶瓷瓦可以反复经受1700摄氏度的高温，并具有很强的抗冲击性和耐化学性。新型陶瓷瓦的另一突出优点是，在大尺寸下性能稳定，没有裂纹。新型陶瓷瓦在俄罗斯发射的联盟号飞船火箭上首次使用，取得理想的效果。这种新型碳纤维增强陶瓷还被一些汽车制造商看好，可用于制造刹车系统中的耐高温陶瓷刹车片。
3.英国研发低成本碳纤维再循环工艺
英国诺丁汉大学（University of Nottingham）的工程技术人员研发出碳纤维循环再生工艺，此工艺将使飞机和汽车制造业变得更加绿色、环保。
飞机制造商目前逐渐开始使用碳纤维替代金属来建造飞机，因为碳纤维更轻也更坚固，但目前业内还没有将再循环碳纤维用于商业化生产。诺丁汉大学工程学院的这一独特的科研项目可能将使这一现状发生改变。
AFRECAR（负担得起的再循环碳纤维）项目将研发出一种成本低、强度高的碳纤维基制造原材料。这种纤维可用于飞机和汽车制造中轻质结构增强件，仅用于非重要用途，比如座椅、头顶行李柜以及其他飞机内饰部件和汽车车身面板。
碳纤维应用领域日益广泛
目前，世界碳纤维生产企业主要有日本的东丽、东邦和三菱公司，美国的赫氏，德国的西格里集团，韩国泰光产业，以及台塑集团等。东丽是世界上最大的生产商，已经开发出高强型T1000（拉伸强度大于7000MPa）系列碳纤维，其抗拉模量为295GPa，拉伸强度达7.05GPa。
随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势。据相关部门预测，世界碳纤维需求将以每年大约13%的速度飞速增长，碳纤维的全球需求量2010年将达到5万t，2012年将达到6万t，2018年将达到10万t。
碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维，具有轻质、高强、耐高温、耐疲劳、抗腐蚀、导热、导电等特性。除土木建筑、航空航天、汽车、体育休闲用品、能源以及医疗卫生领域外，碳纤维在电子通信、石油开采、基础设施建设等领域也有着广泛的应用。随着应用研究的进一步深入，未来碳纤维产品将趋向于高性能化，民用、工业用量将继续保持大幅增长趋势。
日本
1.基本情况
目前日本东丽、帝人和三菱等3家企业在世界碳纤维市场的占有率为69％，特别是在准芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维等高强度、高弹性材料，以及元芳纶纤维等耐高温的高性能材料等方面，具有较强的技术优势。
尽管在目前，日本70％全球市场占有率的碳纤维原丝产量中，35％为国内生产（其中25％供应海外市场），35％为海外生产（其中5％供应日本市场）。日本除在原丝领域具有很强的垄断地位外，在使用50％碳纤维的飞机用材料领域更是世界唯一的供应商，产业和技术优势明显。
目前，这些高强度、高弹性及高性能的碳纤维材料，已经被广泛用于日本的汽车、飞机、建筑、环保、医疗、农林业、IT以及通信业等多个领域，未来还将在节能及相关领域创造更大的市场。碳纤维的需求量也将由2010年的27,000t，增加到2020年的125,000t。
近期，由于地震和海啸等自然灾害，日本本土的部分碳纤维生产企业受到了影响。鉴于日本碳纤维产量在世界市场份额上的重要地位，其本土碳纤维生产装置开工率水平下降将会在一定程度上影响世界碳纤维的供给。
2.研发动态
2.1. 高传导率碳纤维的成功开发
日本东洋纺绩株式会社和Polymatech公司已成功开发了热传导率超过沥青基碳纤维的新型碳纤维。新开发的碳纤维的热传导率约是铜的3倍，铝的5倍，在市场流通的散热材料中被归属于高传导率材料。该产品呈粉末状态，添加树脂后，可制造成容易散热的零部件 。据悉，Polymatech已使用其生产散热材料并开始销售。据悉，东洋纺绩也将开始粉末状的碳纤维样品生产，在电子器械用散热零部件及其保护器（箱）领域进行推广。
2.2. 东京大学研发酚醛纳米碳纤维非织造材料
日本东京工业大学以酚醛树脂为原料，利用静电纺丝法，成功开发出不易弯曲破坏的纳米碳纤维非织造材料。研究人员将该材料高度弯曲并生成碳纳米管，使其具有在使用一般硅基板的一半电压就可以通电流的特性，是一项首创技术。一般以聚丙烯腈为原料的纳米碳纤维非织造材料的弯曲强度低。因此，该材料有望用于开发节能基板、显示器、照明用电子源、汽车用二次电池的电极、传感基板等。
2.3.5年内日本碳纤维汽车有望商品化
在目前的汽车中，钢铁材料约占车体重量的四分之三；而“碳纤维汽车”中新材料几乎可以完全替代钢铁材料。报道说，“碳纤维汽车”相比目前的汽车，最多将减重40％。
然而阻碍“碳纤维汽车”商品化的关键因素是制造成本。目前汽车用钢材的价格约为每公斤100多日元，铝合金材料约为每公斤300至400日元，而汽车用碳素纤维复合材料的成本目前高达每公斤数千日元。
为此，东丽公司、汽车巨头日产及本田公司，还有东京大学等高校研究机构正联合进行科研攻关，他们的目标是在2015年前后使这一材料技术达到商品化阶段。
俄罗斯最新研发动态
1. 电碳纤维吸附剂研究
俄罗斯圣彼得堡国家和大学研究用于蓄电池的导电活性碳纤维吸附剂，碳纤维是粘胶基的，用700℃――800℃碳化，成碳纤维以后的工艺有两种工艺方案，第一种对碳纤维进行1100℃――1500℃最终温度的热处理，使碳纤维具有导电性，然后在850℃下进行活化。第二种先进行碳纤维活化，然后热处理。再下道工序两者相同――改性，成为导电活性碳纤维。着重研究了碳纤维的孔隙度、孔的结构，热处理的温度，活化的温度和时间等因素，对导电活性碳纤维吸附剂几大性能指标――导电性、吸附性、电容量的影响。
2.碳纤维材料应用于飞机零部件制造
俄罗斯从上世纪八十年代起，由莫斯科国立设计和工艺大学、国家航空工艺研究院股份公司等单位，用RTM技术成功研制了“暴风雪”号轨道飞船的热防护罩和飞船外缘板。近年两单位合作，将碳纤维织物转向民用飞机零部件的研发，主要课题从三方面进行：1) 制造涡轮喷气式双回路发动机的排风叶片；2）研制整块无缝织物、三维条子增强的发动机叶片；3）研制碳纤维和玻璃纤维织物增强的飞机舷窗框。
两研究单位与企业共同进行科研和设计——实验工作，研制结果证明，用碳纤维和玻璃纤维代替航空工业的贵金属虽有一定的难度，但零件重量可减轻30-50%，成本可下降二分之一到三分之一。另外碳纤维在破损时变成较软的材料，比较安全，不会产生金属样的危险碎片。
3.聚酰亚胺/纳米碳纤维复合材料研究
俄罗斯高分子化合研究院试验用聚酰亚胺结晶、纳米碳纤维、碳微纤维制造复合材料（碳塑料）。 聚酰亚胺能从熔融物中结晶，结晶的结构可以提高材料的耐热性、耐水性和耐碱性。研究用1,3-双-(3,3'',4,4''-二羧基苯氧基)苯和4,4''-双-(4-氨基苯氧基)-二苯基作复合材料的粘合剂。聚酰亚胺结晶、粘合剂颗粒、改性日本产纳米碳纤维（含量占3％）、俄产“爱鲁尔”碳微纤维（含量占55％），在实验室条件下制成复合材料。实验中聚酰亚胺结晶的延续时间仅为通常的十分之一，复合材料层间破坏粘度增高，复合材料的结晶度达到40％。这项研究得到俄罗斯联邦政府的资金支持。
其他地区
1.美国与中国台湾合作开发航天碳纤维
中国台湾地区的工业研究院与美国最大航空零组件制造商势必锐航天公司合作，双方将共同开发航天碳纤维，预估3~5年内能通过美国联邦飞行总署(FAA)认证并进入量产。
中国台湾地区其实很早就在发展碳纤维，如网球拍、自行车等，都是其在国际市场上著名的碳纤维商品，但在高端碳纤维市场，特别是在航天用碳纤维方面，始终是日本独强局面，台湾的工研院及经济部一直积极寻找突破之道。而在未来通过势必锐航天的协助，台湾地区的碳纤维厂商更有机会取得FAA的认证，一举突破现在的技术门坎与认证困难。
势必锐航天是自美国波音公司独立出来的公司，成立4年，目前接单已经高达340亿美元，是美国最大的航空零组件厂商，在美国市场占有率高达6~7成。据悉，未来与势必锐航天的合作目标是能够开发出新一代航天碳纤维技术，预估在3~5年内就会有技术通过认证及量产，未来会以权利金的方式将技术移转给台湾地区碳纤维从业者。
2.德国研制航天用碳纤维增强陶瓷瓦
据德国《世界报》消息，德国航空航天中心（DLR）新发明了一种碳纤维耐热陶瓷瓦，有望解决目前美国航天飞机耐热陶瓷瓦脱落的难题。碳纤维增强耐高温陶瓷瓦是确保航天飞机飞行安全的重要部件，美国发现者号航天飞机上，就有约2.5万多块耐热陶瓷瓦。陶瓷瓦在进入大气层时经历高温摩擦，会出现大片脱落，是造成航天飞机事故甚至机毁人亡悲剧的重要原因。美国宇航局一直在致力改善耐热陶瓷瓦的性能，但至今仍未取得突破性进展。
德国航空航天中心采用一种新的制造工艺，使生产的碳纤维增强碳化硅陶瓷瓦可以反复经受1700摄氏度的高温，并具有很强的抗冲击性和耐化学性。新型陶瓷瓦的另一突出优点是，在大尺寸下性能稳定，没有裂纹。新型陶瓷瓦在俄罗斯发射的联盟号飞船火箭上首次使用，取得理想的效果。这种新型碳纤维增强陶瓷还被一些汽车制造商看好，可用于制造刹车系统中的耐高温陶瓷刹车片。
3.英国研发低成本碳纤维再循环工艺
英国诺丁汉大学（University of Nottingham）的工程技术人员研发出碳纤维循环再生工艺，此工艺将使飞机和汽车制造业变得更加绿色、环保。
飞机制造商目前逐渐开始使用碳纤维替代金属来建造飞机，因为碳纤维更轻也更坚固，但目前业内还没有将再循环碳纤维用于商业化生产。诺丁汉大学工程学院的这一独特的科研项目可能将使这一现状发生改变。
AFRECAR（负担得起的再循环碳纤维）项目将研发出一种成本低、强度高的碳纤维基制造原材料。这种纤维可用于飞机和汽车制造中轻质结构增强件，仅用于非重要用途，比如座椅、头顶行李柜以及其他飞机内饰部件和汽车车身面板。
