碳纖維復合材料（CFRP）市場發展概況與前景展望

           北京玻璃鋼研究設計院    張貴學

一、已成為CFRP體育休閑用品的制造中心
    （一）在1971-1981年國際上已初步形成了CFRP體育休閑用品市場
    1、釣魚桿
    在70年代初出現了CFRP釣魚桿?，F在碳纖維（CF）桿的產量為1200萬根／年左右，相當消耗CF量約1160噸。其中輕量和高感度的魚桿的開發史，便是高模量聚丙烯睛（PAN）基CF應用的歷史。
    2、高爾夫球桿
    CF在高爾夫球桿的應用，始于1972年。美國Shespe公司用長絲纏繞法開發成功這種球抒。在同年的太平洋Clubmasters比賽中美國的G?Brewer采用Aldila公司所開發的CFRP球桿取得了優勝，于是日本的黑桿（CF高爾夫球桿）突然活躍起來了。70年代后半期便形成了空前的黑桿熱?，F在，黑桿的生產量為3017萬根／年左右，相當消耗CF量約1750噸。
    3、網球拍
    1974年美國Chemold公司等開始開發CFRP球拍，次年在日本也開發成功。除了網球拍外，為了滿足強度和剛度的要求，一些高檔的羽毛球拍、小橡皮球拍等也都采用CF.目前這些拍子合起來的市場規模約4950萬只／年，相當消耗CF量約550噸。
    4、其它
    在其它方面，CF還應用于滑雪板、雪船、滑雪桿、棒球棒、公路賽車、山地自行車、小舟、舟山板、快艇（桅桿）、帆船等體育用品，但與上述的3大支柱相比，每一種規模都較??；
    （二）在二十世紀八十年代我國CFRP體育休閑用品產業快速發展
    1、八十年代初期起步
    我國在八十年代初開始研制CFRP體育運動器材。如哈爾濱玻璃鋼研究所研制的CFRP羽毛球拍，獲得1983年輕工部三等獎；中山大學與東莞玻璃鋼廠合作，于1987年研制成功碳纖維／玻璃纖維混雜增強環氧樹脂的蜂窩夾層結構四人皮艇。該艇的各項指標均達到和部分超過當時國際一流的丹麥皮艇。但在當時，由于國產CF質次價高，且產量很小，從國外進口CF又受到“巴統”等限制，所以不可能大量生產該類運動器材。
    2、八十年代中期臺灣、韓國的相關制品紛紛轉來大陸生產
    八十年代中期，由于我國的改革開放政策和勞動力低廉等原因，臺灣逐步把勞動力密集，污染嚴重的CFRP體育器材制造業轉往大陸沿海地區。例如，臺灣80%的高爾夫球桿、40-50%的網球拍、羽毛球拍，60%以上的自行車架制造業轉移到深圳、東莞、福州和廈門等地；為了求生存、求發展，一些發達也把該種體育器材制造業轉來。例如，韓國把其大部分CFRP釣魚桿制造業轉來我國天津、威海和寧波等地。
    3、八十年代末相關民族工業也得到了快速發展
    2000年前后，國際CF市場出現了供過于求的局面。這種情況也為發展自己的CFRP體育休閑用品提供了良好機遇。
    在上述背景下，一些國內CFRP體育休閑用品企業得到了大的發展。例如，威海光威漁具集團有限責任公司，它創建于1987年11月。目前該公司已發展成上品種全，產量高的釣具生產企業。公司下設16個生產工廠，3個中外合資企業。公司核心產品為CFRP釣魚桿、漁線輪和CF予浸布等。其中90%的釣魚桿和漁線輪產品出口國外；國內一些為體育器材供應CF予浸料的企業也在快速發展起來。例如浙江嘉興中寶碳纖維有限責任公司，它從瑞士引進予浸機，予浸料年生產能力已達300萬平方米。
      （三）的CFRP體育休閑用品產品已居位
    據統計，2002年國產CFRP釣魚桿、高爾夫球桿、網球拍、自行車等已分別占到同類產品產量的60%、60%、75%、65%。這些CFRP體育休閑用品所消耗的CF量，約占當年CF消耗總量的16%。然而，由于國際CFRP體育休閑用品已處于飽和狀態，今后這方面產品將基本上處于穩定狀態，年增長速度大體在1％左右。
    二、結構加固工程已成為CFRP產業新的增長點
    （一）國際上二十世紀九十年代開始起步
    1994年美國洛杉磯大地震和1995年日本神戶大地震給房屋與橋梁造成了極大破壞，用CFRP修復補強損壞了的建筑與橋梁結構是國外采用的重要手段。美國聯邦高速公路局向美國國會報告，“截止1996年6月30日，根據報表統計，美國共有581862座橋梁，其中有缺陷、有問題的共計182726座，占31.4%a”亦即美國有31％以上橋梁需要維修補強，并認為采用復合材料可以更有效的維修這些橋梁。與傳統的鋼材相比復合材料有很多優點：復合材料密度低、強度高、耐蝕性好、抗疲勞和蠕變性能好、操作性能好等。英國有一個由貿易與工業部支持的計劃，該計劃研究結果表明：“用CFRP補強可大大增加橋梁和建筑的抗震和抗裂能力。”
（二）緊跟其后
   我國從1997年開始從國外引入CFRP加固混凝土結構技術，并開始進行相關研究，由于其巨大的技術優勢，在短短的時間內很快形成研究和工程應用的熱點。目前國內已有工業建筑診斷與改造工程技術研究中心、清華大學、東南大學、天津大學、北京航空航天大學、北京化工大學、建筑科學研究院等數 十個高校和科研院所先后開展了CF加固建筑結構的研究，已完成多項研究課顆，發表研究論文100多篇。在材料開發、加固土木建筑結構技術和設計計算理論等方面，取得一批接近國際先進水平的研究成果。
      “十五”期間，為了進一步推動復合材料加固結構技術的發展，還專門設立了相關課題。課題研究主要在兩個方面展開，先是進行關鍵材料開發，即通過材料改性技術研究克服單一纖維復合材料弱點，滿足現代土木工程對新型建筑材料高性能（高強、高模、高耐久性及良好的韌性）、低成本及良好的環境親和性要求；另一方面就是進行關鍵應用技術研究，涉及結構加固補強關鍵技術，新結構應用關鍵技術及材料檢測評價技術研究等。
    （三）已完成復合材料（主要是CFRP）加固工程幾百項
    由于我國具有上為巨大的土木建筑市場，CFRP加固建筑結構工作將呈現不斷增長的趨勢。如2001年用于結構加固的CF量僅12噸，2003年就達到140噸，2004年將達230噸，2010年將躍升至850噸。
    三、能源需求將為CFRP產業提供巨大商機
      （一）CFRP抽油桿已在我國油田正式應用
    隨著地球上油田進行三期開采期，打的油井越來越深，為了提高開采效率，上許多都在探索采用CFRP抽油桿。在油田深井使用CFRP抽油桿具有明顯優勢：先，該抽油桿只是同類鋼桿重量的1/8-1/10，甚至更輕；其次，采用CFRP抽油桿時地面裝備顯著減少，如可降低抽油機機型，節約地面設備投資5-8萬元；節能效果顯著，以2500米泵掛為例，使用CF抽油桿，每口井每年可節省電費4-5萬元。采用CFRP抽油桿是抽油桿的一次革命。目前CFRP抽油桿比同類鋼桿價格貴一倍，隨著用量增加，價格將下降。我國各油田正在使用的金屬抽油桿超過1億米，其中每年更新或新增2600萬米。據北京化工大學預測，至2008年可能有8%-10%更新或新增的油桿用CFRP桿取代，則為200-260萬米，CF用量為1.6噸／萬米，共需CF320-420噸。至2010年如果按巧％的取代量計算，則CF消耗量達624噸。以勝利油田為例從更長遠看，該油田大約有2.1萬11油井，其中泵掛1500-3000米深井有7000-8000口、據測算，一目保升可消耗GF達半噸。僅勝利油田一處，如深井全部采用CFRP抽油桿，則年消耗CF量消耗量之大是可以想象的。目前國內已有三家生產CFRP抽油桿的企業，共有12條生產線二此外，還有的企業正在研制CFRP抽油桿，并積極準備建設。
      （二）風力發電機葉片制造業將得到快速發展
    1、在葉片關鍵部位采用CFRP是必由之路
      可再生能源是當今上十分重視開發的能源、包拈太陽能、風能、地熱能、海洋能等、其中風能的開發利用已形成規模，特另IJ jz風力發電在許多已得到了大規模利用：：德國是風力發電發展快的，平均單機容量1997年為600千瓦，1998年為700千瓦，1999年為800千瓦，2000年為1115千瓦。德國在2000年共安裝了1496臺風力發電機，其中大部分是兆瓦以上的風力機。隨著風力發電單機功率的增長，葉片的長度也在不斷增長。例如，百千瓦級（660千瓦）風機葉片長約21米，1兆瓦門000千瓦）級葉片長約30米，2兆瓦級葉片長約40米一目前上大的風力發電機額定功率為5兆瓦，其葉片長約50術。這些葉片安裝在30米以上高空。葉片越重則引起變形越大。變行大到一定程度，則無法維持風機正常工作。為了減少葉片變形，在主承力件如軸和葉片某些部位則需采用CF補剛度。
    2、我國CFRP風機葉片的應用前景光明
    可再生能源―風力發電，在我國具有很好的前景。據專家測試，我國大陸加上海上風力資源大約有10億千瓦二發改委規劃在2020年我國風力發電量要達到2000萬千瓦。為了促進我國風力發電的發展，即將出臺相關政策，并正在立法所有這些舉措都將促進CFRP風力發電機葉片制造業的發展。
      （三）CFRP壓縮天然氣瓶將得到進一步推廣應用
    從環保觀點看，用天然氣代替汽油用于汽車將越來越廣泛。據日本瓦斯協會報導，2000年日本使用壓縮天然氣的汽車已達2萬輛，而美國則達到100萬輛美國加州已制定法律規定于1997年前CNG汽車必須達到25％，其它州如德克薩斯州等也制定相應法律，強制逐年提高CNG汽車的使用數量。
      國內現有CNG汽車約5萬輛這些車主要集中在四川省和重慶市：北京目前也有CNG公交巴士和出租車約2000多輛。CNG汽車不僅有利于環保，而且由于我國是貧油富氣，燒氣比燒油價格便宜約1/3，因此發展CNG汽車將有美好的市場前景。據預測，到2008年我國擁有的CNG汽車數量將達14萬輛，屆時將年需CNG氣瓶約70余萬只。CFRF CNG氣瓶的大量推廣應用，關鍵是價格問題。今后在這方面的研究工作要緊緊圍繞降低成本這個中心來進行。
    四、新型節能型環保型汽車將成為CFRP大的潛在用戶
    目前德國寶馬公司率先在開發和試驗高強度輕量化的CFRP車體板和其它部件，所用CF與Zoltek公司生產的大絲束產品。目標是在未來5年內生產出CFRP制系列汽車，以改進其安全性，節能性并減少有害氣體排放量。Zoltek公司總裁確信在未來10年內CF將引起汽車工業的革命性變革；英國Cranfield大學受政府贊助的研究成果也表明，目前每年生產2萬輛的 CFRP汽車是可能的。這種輕量化的CFRP汽車將改進其燃料效率，而剛性比鋼制部件要高，在風力下具有良好的穩定性，這一點對賽車和運動車而言更為重要。目前已研制出的汽車長4.3 m、寬1.7m,高1.4m，質量只有570kg; 2000型奔馳的車門已采用鋁模具制CFRP（RTM技術），在CFRP中CF含量高達60% 。每年只生產1000件，原因是價格問題，美國自90年代后期因對環保問題越來越重視CF在未來車輛中的應用。1994年美國政府和工業部門開始出臺聯合開發先進車輛技術的計劃（PNGV）。目標是改進車輛的效能，降低污染物的排放并滿足用戶的各種需求。其中一個目標是到2004年所生產的中型汽t4. A.lh（甜響叮）BTU當量。為此，今后要加速CFRP加工技術的開發并降低現有CF價格，才能滿足2004年PNGV 的目標。為了實現2010年的PNGV的技術研究計劃，即達到42.5km/ 1（1 OOmpg)BTU?，FDOE與ACC公司正合作開發低成本的CF，包括開發非傳統的原絲，新型的CF生產方法等。專家預測，未來環保型汽車每年所消耗的CF量將以萬噸計。
    2010年我國汽車產量將突破年產1千萬輛大關。新型節能型環保型汽車是未來汽車發展方 向。為了和國際接軌，我國將來也必定要大量制造這類汽車，屆時汽車工業將成為我國CFRP的巨大市場。
      五、眾多CFRP高新技術產品已不斷進入市場
      目前這些產品（見下頁表）盡管種類繁多，但數量不大，主要原因有三：其一，價格較高。這是影響CFRP產品推廣應用的主要原因。例如，一個50升鋼襯玻璃鋼CNG氣瓶價格僅1800元／只，而同容積的鋁內襯CFRP氣瓶，其價格卻高達5000元／只以上；其二，質量不穩定。例如，CF電熱板的功率密度（功率數／平方米）不夠穩定，超過了標準規定誤差。主要原因是作為電熱原件的碳纖維紙質量達不到標準；其三，產品開發跟不上市場需要。例如，在煤礦開采作業區，瓦斯在靜電作用下易發生爆炸，造成嚴重事故。在煤礦采用的聚氯乙揭通風管中加入一定量CF可得到抗靜點制品，防靜電效果很好。但在我國，這種管道還沒在煤礦區得到很好地應用。
    CFRP應用是和高新技術相聯系的。我國經濟、技術的發展速度有目共睹，“制造”已風靡，高新技術產業正在快速發展。隨著產業和產品技術升級，對CFRP的需求量將不斷增加。由于我國幅員遼闊，產業門類齊全，社會穩定，經濟、技術發展速度高，工資水平低，東西部經濟發展差距大，過就決是禽國必然成為CFRP的巨大市場，而且可以長久保持。