摘　要：据报道，碳纤维市场将由2012年的4.1万t发展至2020年的14万t，其中一般产业用途约占11万t以上。鉴于此，一些的碳纤维生产商进一步扩大产能，如东丽计划将碳纤维产能从2013年的2.11万t提高至2015年的2.71万t和2020年的5万t。除了主要碳纤维生产商的新发展动态，本文还论述了碳纤维及其复合材料在新一代飞机、风力发电叶片、土木建筑、高压容器、电子产业等市场的应用近况和发展前景。
　　关键词：碳纤维；复合材料；应用领域；市场前景
　　目前聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）开始迈入快速发展而激烈竞争的时代。根据预测，碳纤维市场需求将由2012年的4.1万t左右发展到2020年的约14万t，其中增长快的是产业用途，预计2020年比2012年将增长 4 倍以上，即11万t以上。新一代飞机、大型风电叶片、土木建筑材料、高压容器、海洋工程和电子产业等是新市场的主力军，而2015年后汽车及轨道交通等将逐步成长为大型市场。
　　表 2 为2005 ― 2012年一季度日本三大碳纤维公司的销售额及盈利情况，其中2013年三菱丽阳下滑严重，为此自2012年秋至今大规模收购海内外预浸料及复合材料制品等下游企业，形成从丙烯腈原料至复合材料制品的完整产业链，以提高市场竞争力和扩大应用领域。
　　2020年，东丽的产能将达到 5 万t/a，而ZOLTEK则为3.95万t/a。预计2013年底，我国碳纤维生产厂将达到33家左右，产能从20 ～ 6 000 t/a不等，总设计产能约22 500 t/a，但2012年据统计总产量仅为2 400 t左右。由于国外公司向我国输出的碳纤维售价低于我国企业的生产成本，因此除 4 ～5 家供应军工的企业外全部亏损。
　　2.2 风能和潮能
　　根据风能协会的统计，2011年新设的风电能力为42 GW，比2010年增长20%，其中美国增长28%，而英国目前正在运行的风电装置有4 510个，将再建1 183个，德国2012年和2013年预计各增长1 415和3 200 MW装机容量。我国2011年风电的发电量仅占总电力生产的1%，计划到2050年将增至17%。
　　目前重点发展近海风电场，据报道英国到2020年洋上风电将新增29 GW。图 9 所示为英国威尔士North Hoyle正在运行的Vesta V80-2.0MW洋上风电场。
　　今后将朝着深海浮动式风电装置发展。图10和11分别为美国缅因大学先进结构与复材中心所研发的高20 m、叶片直径达130 m的 6 MW浮动式洋上风电装置的水下和水上图。
　　据悉，到2013年，仅缅因州80 km长的海岸线上就将拥有156 GW的洋上风电产能，到2030年还将部署 5 GW的新装置，并吸引2 000万美元的私人投资，创造数千人就业。
　　西门子是大的洋上风电叶片生产商，目前约占 7 成的市场份额，其每台 6 MW的大型设备已实用化，其叶片皆采用碳纤维增强塑料（CFRP）。
　　潮力发电是今后的重要发展趋势和CFRP的新市场，其能量转变效率为40%以上，而一般风电为20% ～ 25%。2008年北爱尔兰率先研发并投产1.2 MW的潮力发电设备，如图12所示，到2015年在英国威尔士将设置 5 台 2 MW的装置。
　　2.3 土木建筑
　　CFRP用于建筑结构物的代钢筋材料和补强材料，不仅可提高抗震能力，还可起到电磁波屏蔽作用，这对军事设施是很重要的。
　　据报道，目前和今后较长时期内，都将处于第五期地震活跃期。据我国地震局的报告，我国可能发生 7级以上大地震的省会城市多达22个，可能发生7.5级以上特大地震的省会城市16个，因此碳纤维片材、CFRP板材和代钢筋材料的需求量将逐年递增。2012年我国碳纤维补强材料的需求量已超过1 000 t。
　　需要引起注意的是，我国补强用碳纤维的标准是采用T700级PAN-CF，这是不科学的，应该根据不同部位的要求选用不同质量和性能指标的PAN-CF，如表 4 所示。 　　由于车辆大增，许多原设计的桥梁底床逐渐发生疲劳劣化，有些隧道发生裂口而剥落，许多桥梁的桥墩已老化，一些高速公路的重要路面和飞机场跑道为防止因地震而发生龟裂都需要进行补强，仅日本每年的PAN-CF用量就多达90万m2。
　　碳纤维补强材料的施工方法主要包括：①东丽碳纤维片材（图13）或CFRP施工法，图14为防止桥底的钢筋凹陷和提高耐疲劳性的施工图；②东丽碳纤维层压材料（图15）施工法，图16为其烟囱耐震补强图；③S-层压材料施工法，主要用于钢板表面通过环氧树脂粘合剂的碳纤维补强法；④SR-CF施工法，这是清水建设公司所开发的方法，如图17所示，采用碳纤维地脚螺栓（图18）锚固。
　　帝人公司利用2012年12月建成的CFRTP（碳纤维增强热塑性塑料）中试厂，与GM（通用汽车）等汽车公司合作，提供可“一分钟成型”的技术与汽车结构部件等，目标是2015年应用于月产 1 万辆的车种上，以期到2020年达到1 500亿 ～2 000亿日元的销售额。
　　东丽通过参股欧洲的ACE、Diamler（EACC）和美国PCC汽车公司，收购泰国童梦复合材料（泰国）公司（赛车厂），在深圳投资 2 亿日元成立东丽塑料（深圳）有限公司（TPSZ），新建2 500 t/a的CFRTP母粒厂，扩大CFRP汽车部件生产，以及与美国三大顶级汽车公司通用、福特和克莱斯勒等合作开发CFRP汽车部件，大力开拓欧亚太地区的汽车市场。
　　水菱塑料公司近开发了碳纤维增强聚丙烯（CFRPP）汽车挡泥板，其刚性比以往的防撞器材可高出 5 倍以上。
　　东洋塑料精工公司开发了碳纤维增强尼龙和PPS汽车部件系列产品（图 22），进一步扩大了在汽车、飞机和电子等方面的应用。
　　Axon汽车公司利用东丽的碳纤维开发了全CFRP汽车，比普通车减重50%以上。其一次结构材料采用3D碳纤维织物与聚乙烯（PE）泡沫塑料通过VARTM成型技术制成。
　　Motorsport公司生产了用碳纤维和Kevlar？（对位芳香族聚酰胺纤维）织物混合增强丙烯酸尿烷酯的赛车（图23）部件（图24），使车体减重56 kg，获得了2013欧洲Rallycross锦标赛冠军。
　　2.5 高压容器
　　由于北美和英国的油页岩气突然兴旺，作为压缩天然气罐和天然气汽车燃料瓶的需求不断扩大，推动了碳纤维缠绕气瓶需求的猛增。为此三菱丽阳率先改造其在美国的碳纤维生产线，改产强度和模量兼优的小丝束PAN-CF，满足该需求。
　　图26为PAN-CF缠绕气瓶的生产图，图27为该气瓶的内部剖面图，而图28为装有该天然气瓶的英国新能源公共汽车。
　　碳纤维及其复合材料可谓朝阳产业，但竞争异常激烈。目前，我国的PAN-CF生产厂家正处于“百花齐放”的初级产业化阶段，所采用的技术路线也多种多样。今后 5 年将是我国碳纤维产业发展的关键时期，预计这一时期内我国PAN-CF部分厂家将出现停产、兼并、联合、优胜劣汰及上、下游产业联手合作的局面，但仍会保留10 ～ 20家能维持生产的企业。相信目前较为艰难的处境终将过去，前景光明。