憑借優越的力學性能，以及耐腐蝕、抗氧化、不生銹等特性，如今碳纖維被加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，成為制造先進復合材料的重要增強材料，應用范圍日益廣泛，成為不少人口中的“新材料之王”。

 

從棒球棒、網球拍，到自行車、汽車、風電葉片，再到大型飛機、運載火箭……在位于青海西寧的中復神鷹碳纖維生產基地展廳內，一件件實物、模型展品令人目不暇接，彰顯了這種新材料的應用正向高端工業制造和尖端科技領域不斷拓展。

 

作為碳纖維重要市場，我國碳纖維一度大量依賴進口，價格十分昂貴。因此，碳纖維又被稱為“黑色黃金”。彼時，市場上高性能T700級碳纖維曾經賣出過每噸數百萬元的高價。而后來，當國產高性能碳纖維“開花結果”，國際市場碳纖維價格應聲回落。

 

國內碳纖維發展兩大“潛力股”領域
 

風電葉片 碳纖維葉片應用已成趨勢

 

近年來，國內風電裝機量快速增長，國家能源局最新數據顯示，今年前7個月，國內風電新增裝機量達2631萬千瓦，累計裝機量達3.9億 千瓦。而隨著平價時代到來，風機大型化趨勢尤為凸顯，陸上風機單機容量最高突破10兆瓦，海上風機單機容量突破18兆瓦，葉片長度也在不斷刷新行業紀錄。

 

快速大型化給風機葉片材料性能帶來全新考驗，傳統玻璃纖維復合材料性能不足的情況下，碳纖維成為最新的“潛力股”。

 

黃軒指出，與玻璃纖維相比，碳纖維的比模量和比強度均大幅增加，碳纖維復合材料比玻璃纖維復合材料密度更低、強度更高，突破了玻璃纖維材料的性能極限，可保障風機葉片在增加長度的同時降低重量。“利用碳纖維葉片可進一步提升海上風電機組設計上限，甚至可支撐20兆瓦、300米葉輪直徑的機組開發。”

 

除了為海上風電機組大型化提供保障，業界普遍認為，隨著我國海上風電開發范圍不斷擴大，深遠海等復雜工況區域對葉片提出了更高要求，碳纖維材料的高強度性能將能適應更加惡劣的工況環境。另外，輕量化葉片還可以降低吊裝和運輸的難度，對海上風電全生命周期降本有所幫助。

 

據吉林化纖集團黨委書記、董事長宋德武介紹，2022年，全球風機葉片對碳纖維的需求量占到全球碳纖維需求總量的25.7%，我國風機葉片碳纖維需求量也占碳纖維整體需求的23.5%。

 

在宋德武看來，與航空航天、軍工科技等領域相比，風機葉片所需的碳纖維產品標準有所不同，技術成本相對更低，生產過程中，可根據不同性能、工藝和成本，設計不同應用性能和生產工藝參數，相對快速實現碳纖維量產。

 

在此情況下，近兩年來我國碳纖維產業高速增長。數據顯示，2022年，國產碳纖維產能達到11.2萬噸，供應量首次超過進口量。

 

金風科技股份有限公司葉片結構主設兼葉片產品經理袁淵指出，近年來，國內碳纖維計劃產能增長十分可觀，碳纖維葉片的研發應用規模同樣快速增長。

 

“早在2017年，國際市場上已有整機制造商開啟了碳纖維葉片的應用，LM、西門子歌美颯、維斯塔斯等跨國企業也都有百米級碳纖維葉片產出。隨著國內海上風電市場的蓬勃發展，2022年，國內海上大葉片發展實現了全面趕超。目前，國內市場上已有大量海上風機葉片采用碳纖維設計，國內主流整機和葉片廠商也都規劃了下一代海上大兆瓦機組，更大的海上風機碳纖維葉片也都在開發之中。”

 

據了解，目前，明陽智能、上海電氣、東方電氣、金風科技等國內主流整機商都已開啟碳纖維葉片的試驗及生產應用。有數據顯示，2022年以來，國內新開發、新批量生產的海上風電機組中，超過70%都應用了碳纖維葉片，即使在陸上風電機組中，部分企業也已經開始小批量實測應用碳纖維葉片。

 

此前，碳纖維由于成本高，多用于風電、航空航天、軍工、跑車等特定領域。如今，隨著技術進步，碳纖維不僅功能和強度都有所提升，成本也有一定的下降。

 

北京化工大學教授徐樑華表示，近年來，我國碳纖維行業的發展形勢非常好，目前已形成黏膠基、瀝青基、聚丙烯腈基3種類別的制備體系；以二甲基亞砜法為主，二甲基乙酰胺法和硫氰酸鈉法共同參與的原絲制備技術體系；濕法紡絲、干濕法紡絲、小絲束與大絲束工藝齊頭并進的工藝體系；高強、高強中模、高模、高強高模齊全的產品體系。

 

隨著碳纖維復合材料性能的不斷提高以及“雙碳”政策的加持，越來越多的汽車制造商也將目光投向于此。

 

 

中國一汽研發總院高端汽車集成與控制全國重點實驗室副主任葉福恒認為，輕量化是汽車節能減排的重要途徑之一。碳纖維復合材料所具備的優點，適用于汽車外觀件、車身結構、底盤結構件等多個場景，是汽車深度輕量化的理想材料。

 

 

“合適的材料要用在合適的位置。”葉福恒表示，多材料混合用材方向將助推碳纖維復合材料在汽車行業的產業化、規?；瘧谩Ｔ陬A期成本不斷下探，產業鏈不斷完備的全新市場中，碳纖維用材占比及用量有望呈現上升趨勢。目前，碳纖維復合材料已應用到寶馬7系、寶馬iX、奧迪A8、蔚來ES6、雪佛蘭等車型。

 

對于如何實現碳纖維復合材料規?；瘧?，葉福恒表示，這將始于全產業鏈聯動的顛覆式開發創新，并需要全產業協同并解決共性技術問題，進一步構建低成本開發路徑。同時，還需要圍繞新能源汽車轉型升級，通過集成化和功能化開發，實現低成本和高價值的雙協同，打造不止于“輕”的高價值場景。

 

葉福恒還談道，先進的量產制造技術將有助于碳纖維復合材料的規模化應用?；旌鲜褂眠B續和非連續纖維可進一步拓展碳纖維復合材料的應用范圍，實現異形實體部件的復材化。此外，數據表明，回收后的碳纖維仍有很好的力學性能和利用價值，不僅能用于要求相對較低的應用場景，還可減少能源消耗，這將進一步完善產業鏈。

 

此外，北京科泰克科技有限責任公司技術總監趙亮還提到，車載儲氫氣瓶也是碳纖維復合材料值得探究的新應用場景。

 

 

文章來源：中國化工報，城關發布，中國能源報