摘　要：據報道，碳纖維市場將由2012年的4.1萬t發展至2020年的14萬t，其中一般產業用途約占11萬t以上。鑒于此，一些的碳纖維生產商進一步擴大產能，如東麗計劃將碳纖維產能從2013年的2.11萬t提高至2015年的2.71萬t和2020年的5萬t。除了主要碳纖維生產商的新發展動態，本文還論述了碳纖維及其復合材料在新一代飛機、風力發電葉片、土木建筑、高壓容器、電子產業等市場的應用近況和發展前景。
　　關鍵詞：碳纖維；復合材料；應用領域；市場前景
　　目前聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）開始邁入快速發展而激烈競爭的時代。根據預測，碳纖維市場需求將由2012年的4.1萬t左右發展到2020年的約14萬t，其中增長快的是產業用途，預計2020年比2012年將增長 4 倍以上，即11萬t以上。新一代飛機、大型風電葉片、土木建筑材料、高壓容器、海洋工程和電子產業等是新市場的主力軍，而2015年后汽車及軌道交通等將逐步成長為大型市場。
　　表 2 為2005 ― 2012年一季度日本三大碳纖維公司的銷售額及盈利情況，其中2013年三菱麗陽下滑嚴重，為此自2012年秋至今大規模收購海內外預浸料及復合材料制品等下游企業，形成從丙烯腈原料至復合材料制品的完整產業鏈，以提高市場競爭力和擴大應用領域。
　　2020年，東麗的產能將達到 5 萬t/a，而ZOLTEK則為3.95萬t/a。預計2013年底，我國碳纖維生產廠將達到33家左右，產能從20 ～ 6 000 t/a不等，總設計產能約22 500 t/a，但2012年據統計總產量僅為2 400 t左右。由于國外公司向我國輸出的碳纖維售價低于我國企業的生產成本，因此除 4 ～5 家供應軍工的企業外全部虧損。
　　2.2 風能和潮能
　　根據風能協會的統計，2011年新設的風電能力為42 GW，比2010年增長20%，其中美國增長28%，而英國目前正在運行的風電裝置有4 510個，將再建1 183個，德國2012年和2013年預計各增長1 415和3 200 MW裝機容量。我國2011年風電的發電量僅占總電力生產的1%，計劃到2050年將增至17%。
　　目前重點發展近海風電場，據報道英國到2020年洋上風電將新增29 GW。圖 9 所示為英國威爾士North Hoyle正在運行的Vesta V80-2.0MW洋上風電場。
　　今后將朝著深海浮動式風電裝置發展。圖10和11分別為美國緬因大學先進結構與復材中心所研發的高20 m、葉片直徑達130 m的 6 MW浮動式洋上風電裝置的水下和水上圖。
　　據悉，到2013年，僅緬因州80 km長的海岸線上就將擁有156 GW的洋上風電產能，到2030年還將部署 5 GW的新裝置，并吸引2 000萬美元的私人投資，創造數千人就業。
　　西門子是大的洋上風電葉片生產商，目前約占 7 成的市場份額，其每臺 6 MW的大型設備已實用化，其葉片皆采用碳纖維增強塑料（CFRP）。
　　潮力發電是今后的重要發展趨勢和CFRP的新市場，其能量轉變效率為40%以上，而一般風電為20% ～ 25%。2008年北愛爾蘭率先研發并投產1.2 MW的潮力發電設備，如圖12所示，到2015年在英國威爾士將設置 5 臺 2 MW的裝置。
　　2.3 土木建筑
　　CFRP用于建筑結構物的代鋼筋材料和補強材料，不僅可提高抗震能力，還可起到電磁波屏蔽作用，這對軍事設施是很重要的。
　　據報道，目前和今后較長時期內，都將處于第五期地震活躍期。據我國地震局的報告，我國可能發生 7級以上大地震的省會城市多達22個，可能發生7.5級以上特大地震的省會城市16個，因此碳纖維片材、CFRP板材和代鋼筋材料的需求量將逐年遞增。2012年我國碳纖維補強材料的需求量已超過1 000 t。
　　需要引起注意的是，我國補強用碳纖維的標準是采用T700級PAN-CF，這是不科學的，應該根據不同部位的要求選用不同質量和性能指標的PAN-CF，如表 4 所示。 　　由于車輛大增，許多原設計的橋梁底床逐漸發生疲勞劣化，有些隧道發生裂口而剝落，許多橋梁的橋墩已老化，一些高速公路的重要路面和飛機場跑道為防止因地震而發生龜裂都需要進行補強，僅日本每年的PAN-CF用量就多達90萬m2。
　　碳纖維補強材料的施工方法主要包括：①東麗碳纖維片材（圖13）或CFRP施工法，圖14為防止橋底的鋼筋凹陷和提高耐疲勞性的施工圖；②東麗碳纖維層壓材料（圖15）施工法，圖16為其煙囪耐震補強圖；③S-層壓材料施工法，主要用于鋼板表面通過環氧樹脂粘合劑的碳纖維補強法；④SR-CF施工法，這是清水建設公司所開發的方法，如圖17所示，采用碳纖維地腳螺栓（圖18）錨固。
　　帝人公司利用2012年12月建成的CFRTP（碳纖維增強熱塑性塑料）中試廠，與GM（通用汽車）等汽車公司合作，提供可“一分鐘成型”的技術與汽車結構部件等，目標是2015年應用于月產 1 萬輛的車種上，以期到2020年達到1 500億 ～2 000億日元的銷售額。
　　東麗通過參股歐洲的ACE、Diamler（EACC）和美國PCC汽車公司，收購泰國童夢復合材料（泰國）公司（賽車廠），在深圳投資 2 億日元成立東麗塑料（深圳）有限公司（TPSZ），新建2 500 t/a的CFRTP母粒廠，擴大CFRP汽車部件生產，以及與美國三大頂級汽車公司通用、福特和克萊斯勒等合作開發CFRP汽車部件，大力開拓歐亞太地區的汽車市場。
　　水菱塑料公司近開發了碳纖維增強聚丙烯（CFRPP）汽車擋泥板，其剛性比以往的防撞器材可高出 5 倍以上。
　　東洋塑料精工公司開發了碳纖維增強尼龍和PPS汽車部件系列產品（圖 22），進一步擴大了在汽車、飛機和電子等方面的應用。
　　Axon汽車公司利用東麗的碳纖維開發了全CFRP汽車，比普通車減重50%以上。其一次結構材料采用3D碳纖維織物與聚乙烯（PE）泡沫塑料通過VARTM成型技術制成。
　　Motorsport公司生產了用碳纖維和Kevlar？（對位芳香族聚酰胺纖維）織物混合增強丙烯酸尿烷酯的賽車（圖23）部件（圖24），使車體減重56 kg，獲得了2013歐洲Rallycross錦標賽冠軍。
　　2.5 高壓容器
　　由于北美和英國的油頁巖氣突然興旺，作為壓縮天然氣罐和天然氣汽車燃料瓶的需求不斷擴大，推動了碳纖維纏繞氣瓶需求的猛增。為此三菱麗陽率先改造其在美國的碳纖維生產線，改產強度和模量兼優的小絲束PAN-CF，滿足該需求。
　　圖26為PAN-CF纏繞氣瓶的生產圖，圖27為該氣瓶的內部剖面圖，而圖28為裝有該天然氣瓶的英國新能源公共汽車。
　　碳纖維及其復合材料可謂朝陽產業，但競爭異常激烈。目前，我國的PAN-CF生產廠家正處于“百花齊放”的初級產業化階段，所采用的技術路線也多種多樣。今后 5 年將是我國碳纖維產業發展的關鍵時期，預計這一時期內我國PAN-CF部分廠家將出現停產、兼并、聯合、優勝劣汰及上、下游產業聯手合作的局面，但仍會保留10 ～ 20家能維持生產的企業。相信目前較為艱難的處境終將過去，前景光明。