碳纤维的需求、前景和研发新动向
碳纤维的需求将出现爆炸性的增长
据碳纤维有关业者预测,在今后6~8年里,碳纤维的年需求量将会出现爆炸性的增长:即从目前的1亿磅(合4.54万吨)增加四倍以上,达到4~5亿磅(合18.2万吨~22.7万吨),这一点有很多军品和飞机业的订单和一些文件可作证明。与此同时,碳纤维的价格也在上升,从过去的5美元/磅上涨至目前的20美元/磅。
碳纤维的优异性能使它应用广泛
碳纤维具有强度高和质量轻的特点,一般与环氧树脂等制成复合材料,称作CFRP(即碳纤维增强塑料,为Carbon Fiber Reinforced Plastics的缩写);以通常应用的PAN基的CFRP为例,其比重为1.7~2.0,为钢的五分之一;抗拉强度为102公斤/平方毫米,与钢类似,;且还有耐高温、耐腐蚀和难燃等特点。自碳纤维问世的35年来,已在航天业、汽车业、游艇业和飞机制造业中广泛应用,显示了质轻和节能的优越性。在航天业中,用于制作卫星、火箭和导弹部件:在汽车业中,用于制作汽车顶蓬、发动机罩和内装饰等。此外,碳纤维还用于制作风力发电设备风叶、压力容器和休闲、体育用品(如钓鱼竿和高而夫球竿)等。
近年来,碳纤维在飞机制造业中发展迅速,起初用于制作机尾部件,现已发展到机翼和机身的外部和内部的部件,包括制动器等;如波音787客机厂商在其制作中采用了大量碳纤维,期待着在2008年投入运行,能降低燃料消耗。此客机厂商还和日本一家纺织品、碳纤维和树脂的厂商--东利公司签订了在2021年前碳纤维的供货合同。A-350客机也在研究用碳纤维来制作整个机翼。
目前,碳纤维在用作重要的结构材料(如客机制作)时,多采用PAN基的碳纤维,不采用沥青基碳纤维,因为目前后者的机械性能较差,质地较次,所以很少在尖端行业中使用。有些碳纤维厂商纷纷扩建
当冷战结束、军工生产下降时,碳纤维订货减少,迫使某些碳纤维装置关闭;如1992年BASF就关闭了它在南卡罗来纳州Rock Hill的碳纤维装置,一直闲置到2002年晚些时候。到伊拉克战争爆发后,才使用于军品的碳纤维生产复苏。
近年来,一些重要的碳纤维厂商纷纷扩建,如2007年4月,日本东利公司宣布,要投资550亿日元(合4.54亿美元),扩大该公司在日本、美国和法国的碳纤维的生产规模,还要在日本建设有关碳纤维原料的生产装置;经此扩建后,东利碳纤维的年产能力将从2007年8月的13900吨扩大到2008年12月的17900吨。不久后,总部位于美国新泽西州的Cytec工业公司宣称,该公司已确定在南卡罗来纳州Greenville现有碳纤维装置附近投资1.5亿美元,新建一套碳纤维装置,使该公司的碳纤维的年产能力翻番,现正在设计和评估中,可望在2008年开始建设,2010年投产;此新装置投产后可产Thornel T300,T650,T40/800等牌号的碳纤维,供航天业和军工业应用。
碳纤维研发的新动向
Oak Ridge实验室(ORNL)是美国能源部大的科学和能源实验室,现正在研究低成本的碳纤维复合材料,用来制作一种”新一代的机动车”,其目标是每加仑汽油可使此机动车行驶80英里。
ORNL和北卡罗来纳州州立大学共同进行碳纤维原料替代物的研究,有关人员发现:造纸企业制浆过程中排出的废料含有一种称作“木质素(lignin)”的物料,有望用作目前碳纤维原料的替代物。
与此同时,Clemson大学著名的“汽车研究国际中心(ICAR)”以沥青为原料开发一种在性能和成本上都具有竞争力的碳纤维。
一位从BASF退休下来的科学家Wilkinson开发了一项生产PAN基碳纤维的新工艺,在此新工艺中,强化的氧化过程可缩短加工时间;一种专用的催化剂和添加剂可加速交链过程,它们在碳化过程中,还可使纤维较快地取向;这一切的综合结果是使碳纤维的生产成本大大降低。







































