碳纖維的需求、前景和研發新動向

   碳纖維的需求將出現爆炸性的增長
  據碳纖維有關業者預測,在今后6~8年里,碳纖維的年需求量將會出現爆炸性的增長:即從目前的1億磅(合4.54萬噸)增加四倍以上,達到4~5億磅(合18.2萬噸~22.7萬噸),這一點有很多軍品和飛機業的訂單和一些文件可作證明。與此同時,碳纖維的價格也在上升,從過去的5美元/磅上漲至目前的20美元/磅。
  碳纖維的優異性能使它應用廣泛
  碳纖維具有強度高和質量輕的特點,一般與環氧樹脂等制成復合材料,稱作CFRP(即碳纖維增強塑料,為Carbon Fiber Reinforced Plastics的縮寫);以通常應用的PAN基的CFRP為例,其比重為1.7~2.0,為鋼的五分之一;抗拉強度為102公斤/平方毫米,與鋼類似,;且還有耐高溫、耐腐蝕和難燃等特點。自碳纖維問世的35年來,已在航天業、汽車業、游艇業和飛機制造業中廣泛應用,顯示了質輕和節能的優越性。在航天業中,用于制作衛星、火箭和導彈部件:在汽車業中,用于制作汽車頂蓬、發動機罩和內裝飾等。此外,碳纖維還用于制作風力發電設備風葉、壓力容器和休閑、體育用品(如釣魚竿和高而夫球竿)等。
  近年來,碳纖維在飛機制造業中發展迅速,起初用于制作機尾部件,現已發展到機翼和機身的外部和內部的部件,包括制動器等;如波音787客機廠商在其制作中采用了大量碳纖維,期待著在2008年投入運行,能降低燃料消耗。此客機廠商還和日本一家紡織品、碳纖維和樹脂的廠商--東利公司簽訂了在2021年前碳纖維的供貨合同。A-350客機也在研究用碳纖維來制作整個機翼。
  目前,碳纖維在用作重要的結構材料(如客機制作)時,多采用PAN基的碳纖維,不采用瀝青基碳纖維,因為目前后者的機械性能較差,質地較次,所以很少在尖端行業中使用。有些碳纖維廠商紛紛擴建
  當冷戰結束、軍工生產下降時,碳纖維訂貨減少,迫使某些碳纖維裝置關閉;如1992年BASF就關閉了它在南卡羅來納州Rock Hill的碳纖維裝置,一直閑置到2002年晚些時候。到伊拉克戰爭爆發后,才使用于軍品的碳纖維生產復蘇。
  近年來,一些重要的碳纖維廠商紛紛擴建,如2007年4月,日本東利公司宣布,要投資550億日元(合4.54億美元),擴大該公司在日本、美國和法國的碳纖維的生產規模,還要在日本建設有關碳纖維原料的生產裝置;經此擴建后,東利碳纖維的年產能力將從2007年8月的13900噸擴大到2008年12月的17900噸。不久后,總部位于美國新澤西州的Cytec工業公司宣稱,該公司已確定在南卡羅來納州Greenville現有碳纖維裝置附近投資1.5億美元,新建一套碳纖維裝置,使該公司的碳纖維的年產能力翻番,現正在設計和評估中,可望在2008年開始建設,2010年投產;此新裝置投產后可產Thornel T300,T650,T40/800等牌號的碳纖維,供航天業和軍工業應用。
  碳纖維研發的新動向
  Oak Ridge實驗室(ORNL)是美國能源部大的科學和能源實驗室,現正在研究低成本的碳纖維復合材料,用來制作一種”新一代的機動車”,其目標是每加侖汽油可使此機動車行駛80英里。
  ORNL和北卡羅來納州州立大學共同進行碳纖維原料替代物的研究,有關人員發現:造紙企業制漿過程中排出的廢料含有一種稱作“木質素(lignin)”的物料,有望用作目前碳纖維原料的替代物。
  與此同時,Clemson大學著名的“汽車研究國際中心(ICAR)”以瀝青為原料開發一種在性能和成本上都具有競爭力的碳纖維。
  一位從BASF退休下來的科學家Wilkinson開發了一項生產PAN基碳纖維的新工藝,在此新工藝中,強化的氧化過程可縮短加工時間;一種專用的催化劑和添加劑可加速交鏈過程,它們在碳化過程中,還可使纖維較快地取向;這一切的綜合結果是使碳纖維的生產成本大大降低。