第一篇：碳纤维的发展与现状
我国碳纤维的发展及现状分析
碳纤维是一种纤维状碳材料。它是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀性强、比耐热钢耐高温、又能像铜那样导电，具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料。碳纤维主要被制成碳纤维增强塑料这种复合材料来应用。每一根碳纤维由数千条更微小的碳纤维所组成，直径大约5滋m～8滋m。在原子层面的碳纤维跟石墨很相近，由一层层以六角型排列的碳原子构成。碳纤维与石墨两者的差别在于层与层之间的连接。石墨是晶体结构，它的层间连接松散，而碳纤维不是晶体结构，层间连接是不规则的，这样可防止滑移，增强物质强度。一般碳纤维的密度为1750kg/m3，导热能力高但传电能力低，碳纤维的比热容量亦比铜低。当加热的时候，碳纤维会变厚、变短。虽然碳纤维的天然颜色是黑色，但科学家可以把它染成不同的颜色。我国碳纤维产品市场现状我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段,，国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右，国内用量的90%以上靠进口。而PAN原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。另外，碳纤维长期以来被视为战略物资，发达国家一直对外实行封锁。因此,业内专家认为，强化基础研究是创新之本，是发展国内碳纤维工业的根本出路。我国早在上世纪六七十年代就开始了碳纤维的研究工作，几乎与世界同步。经过30多年的努力，已经研制出接近日本东丽公司T300水平的碳纤维产品，但产量和品质都远不能满足国内需求，与国外差距甚远。与国际先进水平相比，国产碳纤维的突出问题是碳纤维强度低，均匀性和稳定性都较差，发展水平比发达国家落后了近20年～30年，而且生产规模小，技术设备落后，生产效益不理想。目前全球碳纤维产能约3.5万吨，我国市场年需求量6500吨左右，属于碳纤维消费大国，但我国碳纤维2007年产量仅200吨左右，而且主要是低性能产品，没有形成规模化产业，绝大部分依赖进口，价格非常昂贵，比如标准型T300市场价格每千克曾高达4000元~5000元。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，国内企业目前尚未掌握完整的碳纤维核心关键技术。我国碳纤维的质量、技术和生产规模与国外差距很大，其中高性能碳纤维技术更是被日本及西方国家垄断和封锁。因此碳纤维要真正实现国产化需要一个漫长的过程。由于市场短缺，近年来国内出现了“碳纤维热”，众多科研院所和企业纷纷启动了碳纤维研究或千吨级产业化项目。虽然当前国内市场对碳纤维产品需求较大，但盲目发展低于档次品类存在很大风险，尤其现有产品研发停滞不前，不能开发出新型配套系列产品，这些千吨级项目实施后，市场产能出现过剩趋势将成为必然。从价格角度分析，目前碳纤维国际市场供不应求，国内价格居高不下，而且在我国，碳纤维应用领域越来越广泛，已从军用向民用领域快速渗透。从投资角度分析，大量资本，特别是民营资本的高度关注，在很大程度上激活了这一产业，极大地提高了碳纤维产业的活跃程度，民营资本的进入为加快碳纤维产业化进程发挥了积极而重要的作用，使国内碳纤维的产业化研究不断深入。到目前为止，我国已建立起相对完整的十分级、百分级甚至千分级碳纤维产业研发的配套体系。1976年在中科院山西煤炭化学研究所建成我国第一条PAN基碳纤维扩大试验生产线，生产能力为2t/a，20世纪80年代开展了高强型碳纤维的研究，于1998年建成一条新的中试生产线，规模为40t/a。中科院山西煤化所、上海合纤所、北京化工大学、山东工业大学、东华大学、安徽大学、浙江大学、长春工业大学等科研机构及院校参与了碳纤维项目的研究与开发。目前，国内小规模PAN基碳纤维生产企业和科研院所共10余家。国内企业不再照搬国外现成的技术，关键设备也在加快研发，某些关键设备的研发已取得了突破性成果，而且原材料供应充足。我国碳纤维产业技术特点十分明显，技术多元化越来越受到重视。从2000年开始，我国已完全放弃了硝酸法原丝技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术。目前，国产碳纤维百分级产品能与日本东丽的T700相媲美。可以说，我国多年来碳纤维产、学、研相结合研发的技术成果已不逊色于东丽的相应技术。在我国完整的碳
纤维研发链条下的碳纤维工程化研发出现了加速发展的势头。吉林、山东、江苏、山西、辽宁、安徽是我国传统的碳纤维工程化研发的基地，而近年来，河北、上海、陕西逐步成为新兴的碳纤维工程化研发基地，有越来越多的企业加入到工程化研发与建设中来。同时，北京、广东、浙江、江苏也积极参与了碳纤维的产业化建设。 我国碳纤维主要生产企业华皖碳纤维，国家已批准在安徽蚌埠建立500t/aPAN原丝和200t/a碳纤维生产线，总投资过亿元。PAN原丝采用亚砜一步法，技术由国外引进;产品以12K的T300级碳纤维为主，并准备引进成熟的预浸料生产线。华皖集团(原蚌埠灯芯绒集团公司)二期建设规模将使碳纤维产量翻一番，达到400t/a，下游产品的开发也列入发展规划。中宝碳纤维责任有限公司在浙江嘉兴。拟建400t/a大丝束碳纤维生产线，部分引进技术和设备，投资数亿元，并配套300万m2预浸料。该项目国家已批准，并积极开展了前期论证和考察工作。根据国内外市场动向及投资与回报等因素，暂缓建立碳纤维生产线，而集中力量开发预浸料等下游产品。同时，还成立了浙江省碳纤维工程技术研究开发中心，全面推进碳纤维事业。山东威海光威渔具集团有限公司主要从事钓竿生产，碳纤维预浸布的规格有30余种，根据发展趋势，有可能向上游即PAN基原丝和碳纤维发展。此外，山东省东营生产力促进中心也在考虑招商引资建立碳纤维生产线，认为石油等工业是碳纤维的潜在市场。北京化工大学与吉化公司树脂厂，将依靠自己的技术建立500t/a原丝和200t/a碳纤维生产线。放弃硝酸法，采用亚砜一步法技术路线生产原丝。目前，正在进行中试实验。中钢集团吉林炭素股份有限公司是我国小丝束碳纤维生产基地，已向用户提供50余吨小丝束碳纤维。目前，该厂正在建立新的小丝束碳纤维生产线，扩大产量，以满足市场需求。中科院山西煤化所研制碳纤维已有30多年历史，上世纪70年代中期，建成我国第一条纤维中试生产线;在90年代末期，又建成我国第一条吨级粘胶基碳纤维生产线。目前该所与扬州聚酯责任有限公司共建碳材料联合实验室，研制高性能PAN基碳纤维，并准备在扬州建立产业化基地。此外，山西榆次化纤厂是我国唯一用亚砜一步法生产PAN基原丝达数十年的单位，目前仍在生产。从以上信息可以看出，当前发展态势有以下几个特点：投入力度大;规模大;参与单位多，特别是大企业的参与;起点高，采用多项新技术、新工艺;自动化程度高，工控、程控在线配套使用;逐步建立起质量控制和质量检测方法，特别是在线检测。碳纤维新产品开发骨骼组织医用材料利用经过化学方法处理过的碳素纤维，修补或置换骨骼组织一段时间后，碳素纤维会被一层具有类似真正软骨机能特点的组织所覆盖，可降低人造骨骼或组织在植入人体后的排斥问题，但是较脆易断问题仍有待解决。另一项新产品为以液压为动力的碳素纤维人工膝关节，虽然其外表不太美观，但在速度、力量与灵活性方面并不比真的肌肉与骨骼差。电脑断层扫描机的感应器是由内装10大气压氦气的密封箱所构成，利用X射线将氦气激发成电离子，电脑再由氦电离子数量的计测描绘出人体的断面影像。氦气压力愈高，断面影像愈清晰，但机器壁愈厚，X射线的减衰愈大，所能激发的氦气也愈少，影像效果因而变差。如果压力容器由碳素纤维复材制成，软X射线领域的减衰可降为1/10，性能将大为提升。现行锂电池的集电体大都采用金属铝或铜，因而在缠绕使用时容易发生破裂。为了解决这一问题，采用在碳素纤维中加入金属来制造集电体(三菱材料)。其正极的集电体采用铝与碳素纤维，负极的集电体采用铜与碳素纤维的混合物。其次，二次锂电池中碳薄膜是正极或负极的重要材料，因碳薄膜的种类决定了二次锂电池的功率、充放电效率及寿命。燃料电池使用氢气作为燃料，其关键材料在于纳米碳管(Nanotubes，或称为纳米碳素纤维Nanofi鄄bres)。纳米碳管是由石墨中一层(单壁)，或若干层碳原子(多壁)卷曲而成的管状纤维，比重只有钢的1/6，而强度却是钢的100倍，若连接成绳索，并不会被自身重量所拉断，管内可以充填其他物质或吸收氢气，也可以用来发射电子，运用于二极体。1997年由NortheasternUniversityBoston合成的纳米碳管，据称可以储存相当自身重量70%的氢气，但因制造资料没有公布出来而广受质疑。燃料电池用的纳米碳
管只有10纳米宽，使得电池体积可缩小至普通电池的1/16，却是目前世界上超大级功率的电池。现在的电动汽车使用普通电池，充电一次可跑144km，且产品寿命只能充电200次，而纳米碳素纤维电池充电一次至少可以跑4000km，且可充电1200次以上。以混有碳素纤维和玻璃纤维的树脂，来制造移动电话、个人数位助理等携带式资讯器材机壳材料，以取代镁材质之机壳，已是电子产品新趋势之一。而最先利用碳纤维材料于笔记本电脑机壳上的是IBM公司的ThinkPad600、570、240与A20，其资料显示，碳纤维强韧性是铝镁合金的两倍，且散热效果良好。预测未来10年碳纤维的需求量将持续增加，工业用与运动休闲用领域依然为市场主流，而呈两极化发展的碳纤维产品中(高弹性率产品及高强力产品)，以高强力纤维的成长较为看好。但由于厂商间竞争激烈，低价格化已成趋势。碳纤维产品国外市场概况 世界碳纤维的主要生产商为日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝三大集团，以及美国的卓尔泰克、阿克苏、阿尔迪拉和德国的SGL公司等。其中日本三大集团占世界碳纤维生产能力的75%。世界CT型碳纤维总生产能力为22100t/a，LT型碳纤维总生产能力为9550t/a，实际生产量约为7000t/a。当前世界上PAN基炭纤维正处于迅速增长的发展期，产品性能趋向于高性能化，T700S加快取代T300作通用级碳纤维;产量增加较快，1996年～2000年增长48.1%;航天航空和体育用品用量增加稳定，民用工业用量增幅较大，已超过前两者，特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，价格的降低，民用工业需求增加迅猛。日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝公司的小丝束碳纤维产量占世界总产量的75%左右，而这3个公司发表的专利也相当多。例如，东丽公司目前生产的碳纤维T1000，抗拉强度最高(7.02GPa)、单丝直径最细(5.3滋m)，可代表世界先进水平，但该公司最新专利报道，其实验室已研制出新一代碳纤维，抗拉强度已达到9.03GPa，比T1000提高了28.6%;单丝直径降到3.2滋m，比T1000细了39.6%。同时，该公司还开发截面形状为三叶形的PAN原丝及碳纤维，以拓宽其用途。碳纤维的起源1880年，美国发明家爱迪生首先将竹子纤维碳化成丝，作为电灯泡内发光灯丝，开启了碳纤维的先河。碳纤维用于结构材料的首创者，则以美国UnionCarbide公司为代表，于1959年以螺距纤维为原料，经过数千百度的高温碳化后，得到弹性率约40GPa，强度约为0.7GPa的碳纤维;1965年该公司又用相同原料于3000℃高温下延伸，开发出丝状高弹性石墨化纤维，弹性率约500GPa，强度约为2.8GPa。1961年，日本大阪工业技术试验所进藤召男博士，以Polyacrylonitrile聚丙烯腈为原料，经过氧化与数千度的碳化工序后，得到弹性率为160GPa、强度为0.7GPa的碳纤维。1962年，日本碳化公司用PAN为原料，制得低弹性系数碳纤维。东丽公司亦以PAN纤维为原料，开发了高强度CF，弹性率约为230GPa，强度约为
2.8GPa，并于1966年起达到每月量产1吨的规模，与此同时他们还开发了碳化温度2000℃以上的高弹性率CF，弹性率约400GPa，强度约为2.0GPa。PAN系碳纤维产量于1992年已达6500吨/年，至2000年已超过1万t/a以上。虽然碳纤维需求量逐渐扩大，但于1991年冷战结束后，军事用途使用量萎缩，又因经济萧条，供需失去平衡，产业受到冲击。然而，美国波音公司新锐机型B777的生产，加上土木、建筑、汽车与复合材料应用领域的扩大，使得碳纤维产业逐渐缓步成长。碳纤维的种类经高温处理后，其含碳量超过90%以上的纤维材料，称之为碳纤维。碳纤维的分类有许多方法，可依原料、性能、形态来进行分类。若依原料可分为聚丙烯腈系碳纤维;沥青系碳纤维。其中聚丙烯腈系碳纤维具有高强度、高弹性率的性质，在航空器材、体育、休闲娱乐等领域大范围使用。沥青系碳纤维具有的高弹性模量、高导热性等特性是聚丙烯腈系碳纤维所达不到的，通常以长纤维形态被利用。由于沥青系碳纤维为高模量级纤维，比弹性模量显著优良，故适合于支配刚性结构物轻量化并赋予其结构刚性。另外，沥青系碳纤维具有高导热性、低电阻、低热线性膨胀率及化学稳定性好等特性。依机械性能可分为超高弹性率碳纤维(UHM类型)，弹性率600GPa以上，强度2500MPa以上;高弹性率碳纤维(HM类型)，弹性率350GPa～600GPa，
强度2500MPa以上;中弹性率碳纤维(IM类型)，弹性率280GPa～350GPa，强度3500MPa以上;标准弹性率类型碳纤维(HT类型)，弹性率200GPa～280GPa，强度2500MPa以上;低弹性率碳纤维(LM类型)，弹性率200GPa以下，强度3500MPa以下。碳纤维特点及性质碳纤维呈黑色，坚硬，具有强度高、重量轻等特点，是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在35000MPa以上，是钢的7.9倍，抗拉弹性模量为230000MPa～430000MPa，高于钢。因此CFRP的比强度，即材料的强度与其密度之比可达到20000MPa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为590MPa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，构件自重愈小;比模量愈高，构件的刚度愈大。从这个意义上已预示了碳纤维在工程上的广阔应用前景。纵观多种新兴复合材料，如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料的优异性能，众多专家预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。PAN碳纤维及其复合材料具有以下特征：机械特性，与金属相比，密度小，质轻;模量高，高刚性;强度高;疲劳强度高;耐磨耗性、润滑性优良;振动衰减性优良;耐热性、安定性，热膨胀系数小，尺寸稳定性好;具有导热性;在惰性气体中耐热性优良;电传导及电磁波屏蔽性，具有导电性;具有电磁波屏蔽性;X射线透过性优良;属多种导性材料，针对其目的可设计出适当的结构体。2007年，日本主要碳纤维生产商东丽公司与日产汽车等企业联手开发出了使用碳纤维的尖端材料，可大幅减轻汽车主要部件，如底盘的重量。新技术可使汽车整体重量减轻1成，提高燃效性能4%～5%。另外，耐冲击性可达到原来的1.5倍。这些厂家计划3年后在市售车上应用此新技术。在全球为减排温室气体而强化燃效规定的背景下，这一新技术有望加快以钢铁为主的汽车原材料的转变。底盘是汽车底部的骨架，是与发动机等同等重要的基础部件。此前，曾在将发动机的动力传导给车轮的传动轴上采用过碳纤维。如果新技术达到实用水平，则是首次在汽车主要部件上采用碳纤维。以高级乘用车为例，目前的钢铁底盘重量约达300kg，如果改用碳纤维与树脂合成的碳纤维强化塑料，则可降低到150kg左右，1.5t左右的汽车总重量由此可减轻1成。另外，在发生碰撞事故时，底盘会发生变形，从而吸收冲击力。假定在时速60km下发生碰撞事故，底盘的能量吸收量可提高到
1.5倍，从而可减轻人体所受的冲击。 碳纤维的应用碳纤维是含碳量高于90%的纤维的总称，因含碳量高而得名。碳纤维既具有元素碳的各种优良性能，如比重小、耐热、耐热冲击，耐化学腐蚀和导电等，又有纤维的可绕性和优异的力学性能。特别是它的比强度和比模量高，在绝氧条件下，可耐2000℃的高温，是一种重要的工业用纤维材料，适用于作增强复合材料、烧蚀材料和绝热材料。它是20世纪60年代初发展起来的一种新型材料，现已成为现代社会不可缺少的一种新颖材料。休闲产品中，最早应用PAN碳纤维的是钓鱼竿。现在世界上碳纤维钓鱼竿的年生产量为1200万根左右，相当于碳纤维用量约1200吨。碳纤维在高尔夫球杆的应用是于1972年开始的，现在世界上碳纤维高尔夫球杆的年生产量约4000万根左右，相当于2000吨碳纤维的用量。网球拍的应用是从1974年开始的，目前世界上年生产碳纤维球拍约450万个，需碳纤维用量约500吨。在其他方面，碳纤维还广泛应用于滑雪板、雪船、滑雪杆、棒球棒、公路赛以及船舶类体育用品。人们认识到了碳纤维轻量化、耐疲劳性和耐腐蚀性等性能，因而开始广泛应用于航空航天行业。在宇航领域，由于高模量碳纤维的轻量性、尺寸稳定性的导热性，早已应用于人造卫星等方面，近年来已开始应用于铱星等通信卫星。造型复合物主要是以短纤维的形式混入用于热塑性树脂中，由于具有补强、抗静电、电磁波屏蔽效果，可广泛应用于家用电器、办公室机器、半导体及其相关领域。压力容器主要用在压缩罐和消防员用的空气呼吸器，包括用CF长丝缠绕所生产的所有罐类。其他燃料容器，如CNG罐，若采用以往的金属制造是很重的，为了使其运行距离加长，必须轻量化。因此，采用金属加上纤维缠绕或塑料衬里的全复合材料容器正进行实用化生产应用。空气呼吸器是去年在美国受到DOT认定的CF制品，今后
其市场需求将急剧增长。近几年在土木建筑领域，靠碳纤维进行抗震补修和补强的施工法，在日本得到划时代的普及。以阪神大震灾为开端的抗震补强，以及伴随着与施工时相比，因交通量和积载量等大幅度增加而造成的劣化所进行的道路桥梁等补强，都开始渗透碳纤维片材的施工法。这种施工法是将单向排列的碳纤维片材或织物状材料，用常温固化型的环氧树脂贴服于结构物表面而进行的补修与补强。公路桥的地面、横梁、建筑物和梁、构架以及烟筒等的弯曲补强中，碳纤维的模量变得格外重要。除前文所述日本东丽在汽车领域中的大幅研制与应用外，近年来以欧洲为中心，在渡轮、大型快艇和其他舟艇类方面，碳纤维的市场需求量正在增长。在能源及相关领域，包括风力发电机叶片、燃料电池电极、飞轮等用途，碳纤维的成长趋势更是强劲。虽然风力发电用途目前尚待进一步推广，但这些应用领域都能充分发挥碳纤维的特长。碳纤维的应用，除涉及到以往X射线医疗器械、电子器械等相关领域、各种机械部件、电器部件、伞类骨架、头盔等与生活相关的用品，以及卡车的构架、车辆的结构体、冷冻箱、家用电梯等新项目。
第二篇：国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势
自上世纪60年代碳纤维首次商业化以来，产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能(365天连续生产12K/24K碳纤维丝束计算)已达到12.6万吨。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。
当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年，先进复合材料将以每年 5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。
因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，我们更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。
1、 国外碳纤维产业现状及发展趋势
1)产业方面
根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前，国际碳纤维产业领域，前两种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的九大生产商包括：日本东丽、东邦、三菱丽阳、美国赫氏(Hexcel)、氰特(Cytec)、卓尔泰克(Zoltek，已被东丽收购)、台塑、土耳其阿克萨(AKSA)和德国西格里(SGL)。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业三家，分别是Cytec、三菱塑料和日本碳素纤维。
PAN基碳纤维分为小丝束(1-24K)和大丝束(36K及以上)两类。全球小丝束碳纤维市场主要被日本东丽、东邦、三菱丽阳三家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了三家日本公司的市场份额。
大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳三家。另外，中国国企蓝星集团英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国腈纶企业合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其它制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。
为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，日本东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11000～12000吨/年的T700S和4500吨/年的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27100吨，2020年扩大至50000吨。另外，Hexcel在欧洲大幅度扩产，三菱在美国与本土扩产，Cytec已经基本完成美国的双倍产能扩产计划，SGL也在美国接连扩产。各企业的碳纤维生产已基本实现了全球布局，为进一步实现从原丝到下游复合材料制品的全产业链一体化协调发展奠定了硬件基础。 2)技术方面
目前，国外高强、高强中模碳纤维的产业化制备技术成熟，规模化、自动化程度高，关键核心技术掌握在日、美等国手中。其中，日本东丽公司凭借其强大实力研制并形成了包括T300、T700、T800、T1000等在内的高强系列和包括M35J、M40、M40J、M55J、M60J、M70J等在内的高模和高模高强系列产品，一直占领着碳纤维技术的制高点，令对手难望其项背。美国Hexcel经过多年的研究，在IM9高强中模碳纤维基础上，研制出IM10碳纤维，主要力学性能超过日本东丽T1000，并成功应用于大型客机。IM10推出两年半后的2014年初，东丽公司宣布推出T1100碳纤维，重新夺回碳纤维技术的领先地位。
目前，低成本技术已成为碳纤维及其复合材料发展的迫切需求和重要趋势。为了进一步推进行业的快速发展，国外各碳纤维生产商正开展碳纤维产品规模化、稳定化和低成本化生产技术方面的研究。
2、国内碳纤维行业发展现状 1)产业技术现状
在国家科技和产业化示范计划支持下，近10年来我国碳纤维制备与应用技术，实现了从“无”到“有”的转变，出现了前所未有的产业化建设高潮，初步建立起国产碳纤维制备技术研发、工程实践和产业建设的较完整体系，产品质量不断提高，碳纤维及其复合材料技术发展速度明显加快，有效缓解了国防建设重大工程对国产高性能碳纤维的迫切需求，部分型号用碳纤维及其复合材料的国产化自主保障问题基本解决。
目前，T300级碳纤维已实现千吨级产业化，产品成功应用于航空航天和武器装备，民用市场正在推广;T700级碳纤维千吨级生产线已经建成，产品进入应用考核;国产T800级高强中模碳纤维吨级线建成并已批量生产;高模及高模高强碳纤维的产业化仍为空白，其工程化制备关键技术急需突破;更高等级的高强中模和高强高模碳纤维制备关键技术亟待攻关。
截至2014年底，我国已拥有碳纤维生产企业近40家，理论设计总产能达到1.96万吨。已建成6条千吨产能(含配套的原丝生产能力)、7条五百吨产能的碳纤维生产线(含配套的原丝生产能力)，拥有千吨以上规模生产线的企业4家，五百吨级的企业(或企业联合体)5家，主体产品为12K及以下的小丝束PAN基碳纤维。
据统计，2007年以来，国内碳纤维产量逐年增加，从2007年的约200吨，增加到2014年的约2600吨，但产能释放能力弱的问题依然非常突出，2014年的碳纤维实际产量不足设计产能的20%。一方面，我国碳纤维企业普遍开工不足、设备闲置、产能浪费，生产成本居高不下;另一方面，受国际碳纤维行业巨头的蓄意压制，碳纤维售价一跌再跌，甚至跌至成本以下，碳纤维企业面临着生产越多亏损越多的局面。目前，我国碳纤维企业长期面对“内忧外患”困扰，几乎全部处于亏损状态，大部分企业只能减产甚至停产，生存状况不容乐观。
2)存在的主要问题
目前，我国碳纤维技术、设备、品种和性能等方面还处于起步阶段，与发达国家相比仍有较大差距，无论产量、质量均有待进一步提高。存在的主要问题包括： ① 重复建设多，产能利用率低
具有国际竞争力的全球九大碳纤维制造商中，日本3家，美国2家，而在近几年中，我国碳纤维产业在国家政策的引导下，各地的碳纤维项目如同雨后春笋般纷纷上马，导致目前的碳纤维企业超过30家。投资建设的企业不少，但同时同质化发展的低水平投资现象居多，又由于自主创新能力不足，导致产能规模小、利用率低、竞争力弱，严重制约了碳纤维产业的健康发展。 ② 技术相对落后，产品质量差
我国碳纤维产业目前相当于国外碳纤维企业上世纪80年代的水平，缺乏具有自主知识产权的核心生产技术，工艺技术的多元化体系建设尚不完善，原丝生产的技术路线单一，生产工艺稳定性差，生产过程能耗、物耗偏高，成本居高不下。
同时，国产碳纤维产业创新团队力量不足，原始创新能力相对较弱，导致国产碳纤维表现出产品性能稳定性、可靠性差，与树脂产品复配的应用工艺性差，高端产品产业化水平低，与国际同类产品差距显著。
③ 部分关键装备落后，设计制造能力有待突破
目前，国内缺乏大型专用生产设备的设计制造能力，对引进装备的二次改造能力也不强。尽管一些企业已开始装备国产化的研究，但自主设计、制造能力相对较弱，装备的工艺适应性、系统可靠性和控制水平等方面与进口设备仍有较大差距。使得碳纤维综合指标协调与可控性不高。因此，缺乏大型专业装备的设计制造能力也成为碳纤维产业面临的主要问题之一。
④ 差别化专用上浆剂有待进一步国产化
目前，国内所用的上浆剂大部分为水性乳液型上浆剂，以环氧树脂为主，品种较少，不能满足国产碳纤维应用日益发展的要求。不匹配的上浆剂会使碳纤维出现毛丝较多、脆性增大、灰份含量高等问题，降低了使用性能。因此，急需开发出包括热塑性树脂上浆剂在内的、适合国产碳纤维的多系列上浆剂类型，进一步研发耐湿热老化、耐高温等高端领域的差别化、专用上浆剂，完善、改进上浆工艺，以满足不同领域碳纤维复合材料加工制造的实际要求。 ⑤ 应用市场技术发展独立，产业牵引力不足
我国的碳纤维应用是独立于碳纤维制备技术而发展起来的，碳纤维上下游产业发展严重脱节，纤维几乎完全依赖于进口，对国内碳纤维产业发展的牵引力不足，直接造成碳纤维企业开工率低，产能浪费严重。同时，国内碳纤维复合材料的设计、制造和应用水平与发达国家存在较大差距，直接导致国产碳纤维复合材料在高端制品上的应用和工业领域的拓展受到制约。因此，我国复合材料及其制品的设计、制造技术有待进一步提高，碳纤维下游应用市场亟待培育和开拓。
二、国内外碳纤维应用领域现状
1、 航空航天领域
航空航天是国际碳纤维应用的传统市场，几十年来，航空航天领域的碳纤维复合材料用量稳步增长。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合材料、高强高韧碳纤维-环氧复合材料、耐高温碳纤维复合材料等系列产品，广泛应用于战略导弹、运载火箭、先进战机、卫星、飞机发动机导向叶片、机翼和涵道部件等。碳纤维已成为航空航天、尖端武器装备必不可少的战略基础材料。
国外碳纤维复合材料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过机身总重的50%，波音787“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上，碳纤维复合材料主、次结构件重量占比也已达到50%。碳纤维复合材料的使用大大的减轻了机身质量，提高了飞机燃油经济性。
目前，我国航空航天用碳纤维复合材料体系基本建立，先后发展出了酚醛、环氧、双马、聚酰亚胺等多种树脂基体，构建了碳纤维-酚醛烧蚀防热和碳纤维-环氧、碳纤维-双马结构承载两大复合材料系列，逐渐进入成熟应用阶段，应用范围和应用比例逐步扩大;建立了预浸料铺层模压、缠绕、热压罐、液体成型等多种工艺手段，并在多种型号上得到应用，形成了较为完备的复合材料设计、制造、检测、应用一体化体系，为我国航空航天事业的跨越发展提供了重要支撑。 另外，我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，性能已全面达到国外水平。采用这一预制件技术所制备的国产碳/碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757-200型民航飞机上使用，在其它机型上的使用正在实验考核中。
2、 建筑工程领域
建筑工程一直都是通用级碳纤维应用的重点领域。目前，美国和欧洲国家的部分老旧桥梁、古旧建筑都面临着较为严峻的工程修复问题，因此，碳纤维补强材料多以粘贴片材的形式应用。一些新型的加固方法，如外贴预应力片材加固、网格加固、嵌入式加固等也在基础设施加固工程中得到了应用。日本由于频繁地震的原因，多年前就开始了碳纤维耐震补强材料和技术的研究与应用。随着设计、施工水平的提高，碳纤维及其复合材料也独立或作为主要受力材料被应用于隧道、飞机跑道、停机坪、高速公路等工程。另外，桥梁用碳纤维斜拉索、高层建筑电梯用碳纤维拉索、碳纤维增强水泥、碳纤维网格增强混凝土等也已成为目前碳纤维在国外建筑工程领域应用的新形式。
我国拥有全球最大的土木建筑市场，碳纤维在加固道路、桥梁、楼房建筑结构领域的应用正呈现不断增长的的趋势。我国自上世纪90年代开始进行碳纤维复合材料在土木工程、建筑补强中的应用研究，目前已有数十个高校和科研院所在建筑补强用碳纤维复合材料的制备及应用关键技术研究领域开展了深入工作，并在产品生产、装备制造、材料评价及设计体系、应用技术等方面取得了大量成果。工程应用方面，碳纤维布及碳纤维复合材料板成为重要的结构加固材料，并得到了广泛的应用，先后被用于人民大会堂、天安门城楼、北京工人体育场、军事博物馆、京沈高速公路桥、北京地铁隧道、北京国贸立交桥、中石油输油管道等众多重大基础设施、公共设施和工业设施。但与国外相比，我国该领域碳纤维复合材料的应用尚处于起步阶段，仍存在材料类型单
一、应用技术单一的问题，急需进一步的深入研究和实践。
3、 能源领域
随着风电叶片大型化的不断推进，碳纤维复合材料的应用也越来越多。国外风电叶片制造商早已在大型叶片的制造中规模化使用了碳纤维，同时碳纤维叶片的制造也真正实现了全产业链的共同进步。碳纤维制造领域，日本东丽、Zoltek等企业，针对风能市场的特殊需求纷纷推出专用的碳纤维产品，如24K T620s和50K Panex 35;中间制品领域，Gurit、Hexcel、ACG等中间产品制造商开发了叶片专用碳纤维预浸料，如SparPregTM、HextoolTM和DformTM;在叶片成型工艺方面，除了改良的预浸料技术——低压中温预浸料真空袋法，还开发了新型真空导入成型技术——液体成型工艺。目前，国外至少有6家大型风电企业正在采用碳纤维复合材料或碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料生产大型或特大型风机叶片，其中起步较早、技术较成熟、应用较多的是丹麦Vestas、美国GE和西班牙Gamesa等公司。
国内目前仅有连云港中复连众复合材料集团有限公司(中复连众)和中材科技风电叶片股份有限公司(中材叶片)实现碳纤维在风电叶片中的规模化应用。其中，中复连众自2009年开始碳纤维在风机叶片上的应用研究，并于20
12、2013年分别实现了进口和国产碳纤维主梁在75m/6MW叶片上的应用，同时完成了叶片的全尺寸静力和频率测试，目前正在准备挂机。中复连众同期开展了风机叶片用国产碳纤维复合材料理化性能、力学性能、工艺性能方面的研究，探索出国产碳纤维应用的设计要求和制造工艺，为推动国产碳纤维在大型风机叶片领域的应用奠定了坚实的基础。中材叶片于2011年在Sinoma 56m/3.6MW叶片的主梁上首次采用碳纤维预浸料，试制生产的56m碳纤维叶片顺利通过了静力实验，随后成功生产了22套56m/3.6MW风电叶片出口美国。
总体上讲，国内碳纤维在风电叶片上的规模化应用尚处于尝试阶段，叶片的设计、结构验证、长期安全性验证等问题都没有形成完善的解决方案。现阶段碳纤维的供应主要来源于国外公司，以碳纤维预浸料为主，供应渠道受限，也是影响国产碳纤维规模化应用的另一主要原因，因此有必要继续开展国产碳纤维在大型风电叶片上的应用研究。
4、 体育休闲领域
体育休闲领域是碳纤维复合材料的重要应用领域。碳纤维在该领域的应用主要集中在高尔夫球棒、钓鱼杆和球拍三个产品类型。近年来，自行车、去混球杆、滑雪杆等新兴产品的碳纤维用量也在不断增长。
我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材，目前，已与美国、日本和中国台湾并列成为高尔夫球棒的主要产地。另外，钓鱼竿、网球拍、鱼线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等产品也是碳纤维在我国的主要用途。
5、 碳纤维复合芯导线领域
碳纤维在电力输送领域的研究起步于上世纪90年代，2002年，美国CTC公司开发出碳纤维复合材料芯棒之后才开始规模化应用。目前，美国CTC公司的整体技术处于国际领先水平，但欧洲、亚洲、南美洲的20多个国家、200余条新建和改造线路中也都开展了碳纤维复合芯导线的应用，挂网总长度超过7000km(架设导线总长约为20000km)，电压等级覆盖了13.6-550kV。
我国碳纤维复合芯导线整体技术水平与国外相当。2007年，江苏远东、河北硅谷、中复连众等企业开始自主研制碳纤维复合芯及导线。目前，国内碳纤维复合芯及导线生产厂家接近20家(已有供货业绩的有5家)，国内年预期产能超过50000km。各主要生产厂家制备的碳纤维复合芯导线技术指标均满足碳纤维复合芯架空导线技术要求并已通过所有型式试验验证，技术性能已达到国外同类型产品的技术水平。
国内外复合芯制造厂家采用日本东丽或东邦T700级碳纤维，T700级碳纤维作为复合芯关键材料，供应及价格一直受制于日本，高昂的碳纤维价格是限制复合芯导线大范围推广的主要原因。
2014年7月，中复碳芯将中复神鹰T700级碳纤维SYT45试用于碳纤维复合芯导线，并在常州35kV邹区线上成功挂网，运行良好。国产碳纤维在复合芯导线的实际应用方面取得了突破性进展。
6、 车用碳纤维复合材料
在各国政府的大力支持下，国外各大碳纤维制造商纷纷与汽车巨头联手，发展汽车用碳纤维复合材料设计制造技术，已经形成“碳纤维、复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局，并突破了车用碳纤维复合材料零部件及车体的规模化、自动化制造技术。最成功的实施案例是德国宝马的i3电动概念车，宝马公司为这款车型建立了一条包括碳纤维原丝、碳丝、编织布、复合材料零部件、主机装配等各环节的碳纤维复合材料车身产业链，日产量可达100辆。另外，日本东丽研发出“TEE WAVE AR1”电动汽车，共用碳纤维复合材料160 kg，碳纤维车身成型周期10min/套。日本东邦与丰田合作成立“复合材料创新中心”生产LEA跑车。美国特斯拉公司推出全球首款Roadster纯电动跑车，整车重1200kg，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料车身，成型周期为20min/套，年生产量为1500辆左右。
总的看来，国外在碳纤维复合材料汽车轻量化产业方面已经初具规模，处于复合材料发展技术的前沿，主要核心制造技术掌握在少数几个大公司手中，发展已呈现逐步加快的趋势。
而目前，我国碳纤维复合材料在汽车工业中年用量比例还很小，应用较为成熟的技术大部分集中在非连续纤维复合材料成型工艺上。在连续纤维复合材料的快速成型技术方面，重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流动成型为代表的低成本连续碳纤维复合材料部件制造关键技术，并实现了部分装备的连续化自动化生产，实现了连续碳纤维复合材料片材、板材及部分部件的连续自动化制备，初步建立了车用复合材料部件生产示范线。但是，由于缺乏与国产碳纤维匹配、满足汽车生产节拍的快速固化树脂，尚未形成研究、设计、开发、制造、装备、检测、应用评价与推广应用一条龙产业链，同时碳纤维复合材料部件及整车验证、装配技术、质量控制等方面与国外差距巨大，急需进行进一步技术攻关。
另外，随着我国工业化进程的不断推进，诸如碳纤维连续抽油杆、新型储能电池、采油钻井平台等新兴应用领域对碳纤维的需求量也在不断扩大，碳纤维及其复合材料的发展前景一片大好。
结束语
综上所述，我国碳纤维产业正处在高速发展的关键时期，在蓬勃发展的国际碳纤维产业大背景下，我国在重大工程、一般工业和新兴产业领域对高性能碳纤维产品也提出了迫切的需求。国内碳纤维企业应进一步明确自身的创新主体地位，面向国防军工、民用航空、人造卫星等航空航天高端装备制造业，建筑补强、海洋工程、石油勘探等传统产业升级领域，以及新能源汽车等战略新兴产业，分阶段逐步开展不同品系碳纤维产品的产业化关键技术攻关、成本质量控制、工业应用示范和重点领域应用评价，开发出符合我国实际应用需要的高性能、高稳定性、规模化、低成本生产技术和多品系碳纤维产品，真正实现我国碳纤维产业的快速健康发展。
国内碳纤维及其复合材料产业发展，任重道远。
第三篇：植物纤维墙体材料的发展现状以及前景展望 - 绿色环保
摘 要：
简要介绍了植物纤维墙体材料的发展状况,阐述了其对建材业节能环保的重要意义,并对植物纤维墙体材料的应用前景进行了展望。
关键词： 植物纤维;墙体材料;节能环保
21世纪以来,保护环境以及合理、高效地开发与利用资源已成为世界瞩目的热点。在我国,随着工业化和城镇化的快速发展,作为典型资源依赖型工业的房屋建筑业在推动国民经济迅猛发展的同时,由于消耗大量的资源能源,迫使其继续发展受到制约。各类建筑在其建造和使用过程中直接消耗的能源占全社会总能耗的近30%[1]。而墙体材料又是建材业的重要组成部分,其产值接近建材工业总产值的1/3,耗能占建材工业总耗能的1/2左右,因此,加速发展节能利废的新型墙体材料,不仅是调整建材工业能源结构的重要措施,而且对改善建筑功能,节约土地具有十分重要的意义。此外,使用新型墙体材料,能提高建筑中的能效,降低能耗,是我国高速发展国民经济的根本需要和实现住宅产业现代化和加快城镇化建设的基本要求。
我国作为农业大国,随着农业连年丰收,秸秆产量也大幅度上升,产量大约为6.5亿t/年[2]。农作物废料秸秆等的处理已成为社会问题,除了少部分被当作饲料、肥料等开发利用外,大部分被付之一炬,不仅浪费资源,而且严重危害了自然生态环境。因此,废弃农作物的综合利用意义重大。植物纤维墙体材料的诞生恰好解决了废弃农作物的利用问题,同时又适应了国家建设节能型社会的需求,促进了可循环经济的发展,加快了我国高效、低价、环保、实用的节能建筑产品的研发和应用。 1 植物纤维墙体材料的特点及来源
植物纤维墙体材料是以植物纤维为原材料的一种新型节能环保生态建筑材料。其特点主要表现在:①原材料可以再生、废弃且无害。②节能利废,改善环境。生产该类材料将尽可能减少矿产资源的过度利用,降低生产能耗,并可大量利用农业废弃物作原料,减少由于对其处理处置不当而引发的环境污染。③节约土地。既不毁地(田)取土作原料,又可增加建筑物的使用年限。④可实行清洁化生产。在生产过程中,减少废渣、废水、废气的排放,大幅度降低噪音,实现较高的自动化程度。⑤可再生利用。产品达到其使用寿命后,可再生利用而不污染环境。 植物纤维来源广泛,可分为棉纤维、麻纤维、棕纤维、木纤维、竹纤维、草纤维。而用于墙体材料的植物纤维主要来源于木材、竹材和谷壳、秸秆、棉杆、高粱杆、甘蔗渣、玉米芯、花生壳等农作物废弃物。目前,利用农业废弃物生产的主要墙体材料包括麦秸均质板(图1)、纸面草板、植物纤维水泥板、麦秸人造板和秸秆镁质水泥轻质板等。 2 植物纤维墙体材料的发展状况 2.1 国内植物纤维墙体材料的发展状况
与国外相比,我国对植物纤维墙体材料的研究起步较晚。20世纪80~90年代,利用蔗渣制造硬质纤维板、刨花板的工厂体系在我国南方逐步出现。随着我国建筑业的革新与进步以及建筑节能工作的深入开展,环保利废型墙体材料的生产和应用出现了快速增长的良好局面。以麦秸、稻秸、棉秆等非木质材料作为原料生产制造墙体材料的技术与工艺已成为国内多所科研院校致力研究的项目课题。其间制造出的刨花板和中纤板的物理力学性能可以达到国家有关人造板的标准技术指标。我国广西、广东和福建地区也是植物纤维的盛产地,许多学者就植物纤维增强水泥基复合材料的开发进行了探索。章希胜等[3-5]研制开发了价格低廉、防渗防漏、性能优异的植物纤维水泥复合板,取得了良好的经济效益。针对内含钢渣的植物纤维增强水泥基复合材料,李国忠等[6]探讨了其基体结构和界面状况对材料性能的影响。近年来,随着建材产品结构合理化以及先进生产技术的传入与发展,国内涌现出大批生产秸秆板材的厂家,其产品市场逐步由国内拓展到海外[7]。植物纤维墙体材料开始稳步发展。 2.2 国外植物纤维墙体材料的发展状况
国外植物纤维墙体材料的发展由来已久,草砖建房技术在北美已有百年历史。早在20世纪初就出现了利用秸秆加工生产人造板材的技术;1920年美国路易安那州建立了蔗渣制板厂[8];英国Compak设备公司最早开始研究采用麦秸和稻草作为板材原料,经过10年努力,成功制造出性能高于木质刨花板的Com-pak板;波兰天然纤维研究所利用亚麻、黄麻和大麻的下脚料、甘蔗渣、芦苇秆、棉秆、香草根、油菜秆、麦秸等外加锯末为原料,制造出高质量的人造板。目前,全球已有20余个国家开办了以农作物为原料的人造板生产厂家,美国和加拿大超过50%。其中,美国PRIML BOARD公司,加拿大ISOBORD公司生产线产量均在10万和20万m3以上;美国的麦秸板全年产量约为1 600万m3 [9]。
由于保护森林资源和维护生态平衡的需要,各国开始致力于开发非木材植物纤维建筑材料。自20世纪80年代以来,利用非木质植物纤维增强水泥基材料的研究和利用成为不少发展中国家致力研发的热点。由于作为水泥基增强材料的天然植物纤维,使用较多的是只经过粗加工或未加工的原料,如稻草、芦苇、棕榈叶、竹子等,因此发展中国家从经济的角度考虑,特别注意开发这方面的资源,主要研究本国盛产的植物纤维。印度政府于1993年4月实施了一项禁止将实木用于建筑的法律,旨在推广以农业废弃物,如棉花秆、甘蔗渣、豆秸和稻秸为原料的廉价的建房材料。埃及盛产棕榈树,20世纪90年代中期,埃及科学家选择以资源丰富的棕榈叶为研究对象,进行了棕榈树叶纤维增强混凝土材料的研究,通过试验得出,棕榈树叶纤维混凝土材料的实用可行性,并且发现由于棕榈树叶独特的内部结构,经过水泥溶液浸泡,其纤维变得更加稠密,使得经过水泥溶液浸泡的棕榈树叶纤维增强混凝土的抗拉强度比未经水泥溶液浸泡的抗拉强度高[10]。
近年来,一些发达国家的科研单位,也配合发展中国家进行非木质植物纤维增强水泥基材料的研究,并且取得了一定的进展[11]。目前,世界不少国家已经生产与应用非木质植物纤维增强水泥基材料。据美国ACI544委员会的报告[12],全球约有40个国家有可能将该材料应用于建筑物中。具有百年历史的澳大利亚的JamesHardie公司,专业从事植物纤维水泥制品研制,1981年起开始生产压蒸式木纤维增强水泥,并将该项技术推广至美国以及亚洲与非洲的某些国家[13]。迄今为止,其植物纤维水泥制品遍布全球,前景良好。 3 植物纤维墙体材料的优势
3.1 来源广泛、节约能源、保护环境
植物纤维墙体材料以来源广泛的农作物废料秸秆等作为原材料,不失为一种变废为宝、节约资源的有效措施。其低廉的建筑造价符合我国基本国情及产业政策。在避免对木、竹材等资源过度开发利用的同时,为废弃农作物的合理利用提供了有效的方法与途径,使秸秆等农作物废料引发的环境生态问题的根本解决成为可能。 3.2 性能较好、实用性强
植物纤维墙体材料是在国家推行墙材改革,出台禁用粘土砖政策后,出现的性能较好、实用性较强的产品之一。其性能与粘土砖接近,且舒适性高,使用后能再次回收或自然降解为环境消纳物质,对生态环境几乎无影响。为墙材改革的平稳过渡和未来高性能住宅的发展做出了有益的探索。
3.3 施工安装便捷,缩短建筑工期,降低建筑成本及能耗
植物纤维墙体材料安装便捷,可按图制作,按号拼装,砌体和保温的全部工作可一次完成,与建筑框架同时施工,按序跟进,同时完工,打破了我国建筑长工期、跨施工的传统模式。并且将可能实现建筑轻体化、高能化、省地化。 3.4 实现建材生产的低耗高产
以植物纤维外墙保温板为例,在生产成本中,该墙体材料耗电0.142 kW /m2,耗水1.5L/m2,不用lg燃料,电和水的成本为1元/m2。与其他墙体保温材料相比,其产出量与能耗比极低。植物纤维在使用中的节能效益很高。如,200mm规格的该墙板与370 mm规格的粘土砖墙相比,其保温系数高出粘土砖墙4倍,取暖热耗降低4倍,取暖成本减少4倍,每年可节省大量的能源消耗,减少取暖支出[14]。 4 植物纤维增强水泥基材料的发展前景
(1)随着高层建筑的增多及国家保护耕地相关法规的出台和建筑本身节能要求的不断提高,我国住宅墙体建设将逐渐杜绝使用实心红砖。同时,一些建材因其自身缺陷将逐渐退出市场。以石膏墙板、粉煤灰墙板为例,由于这2种产品的强度低、容易潮霉,一般2~3年即自行返潮解体,在南方地区尤为严重,因此,这些建材产品已逐渐被建筑商所淘汰。墙材市场对像植物纤维这种新型墙体材料的需求存在巨大空间。植物纤维新型墙材以其轻质、高强、保温性能好、吸水率低、抗冻融性能高等优点和诸多特性,势必产生巨大的经济效益和社会效益,成为未来墙体市场发展的主流。
(2)作为世界上农作物秸秆纤维产量丰富的国家,我国很有必要对植物纤维建筑材料加以研究与探讨,以开拓对农业废弃物资源的利用领域。同时,秸秆等农业废弃物作为可再生资源,符合节能、可持续发展的要求,将其作为墙体材料原料也不失为节能利废,有效处置农业废弃物的途径,而且发挥了农村资源优势,增加了农民收入。采用秸秆等农业废弃物作为墙体材料的原料,开辟了新的原材料来源,缓解了各地发展墙体材料资源短缺的矛盾,更推动了各地墙材工业的发展,促进了墙材产品结构的变革。同时,随着墙材品种的增加,也将有力地推动房屋结构的变革和观念的更新,促进建筑产业化的实现。节能利废型植物纤维墙体材料作为新型绿色环保建筑材料,将具有广阔的工程应用前景和巨大的市场潜力,并且对于今后的国计民生有着深远的意义。 5 结语
随着人们对节能及环境问题的广泛重视,研制新型环保墙体材料已成为建筑业的发展趋势,建筑墙体材料必须更新换代,采用新型墙体材料势在必行。植物纤维新型墙体材料由于其本身具备的极为突出的优势,不仅符合未来建筑材料需求的方向,而且符合国家发展循环经济,建设环境友好型与资源节约型社会的重大战略方向,同时顺应了世界环境保护的主流趋势,势必在建材发展市场中占有重要的一席之地。 参考文献
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第四篇：玻璃纤维市场发展现状及前景趋势分析
资料来源：前瞻网：2013-2017年中国玻璃纤维行业产销需求与投资预测分析报告，百度报告名称可查看报告详细内容。
玻璃纤维是非常好的金属材料替代材料，随着市场经济的迅速发展，玻璃纤维成为建筑、交通、电子、电气、化工、冶金、环境保护、国防等行业必不可少的原材料。由于在多个领域得到广泛应用，因此，玻璃纤维日益受到人们的重视。全球玻纤生产消费大国主要是美国、欧洲、日本等发达国家，其人均玻纤消费量较高。
玻璃纤维市场行业发展现状：
中国玻璃纤维行业近几年的快速发展，动力来自国内和国外两个市场的拉动。国际市场的扩大，既有总需求增长的因素，也有来自国际企业前期因利润率较低退出行业后，给国内企业在国际市场留下的发展空间;而国内市场的增长，则是来自下游消费行业的快速发展。中国玻璃纤维经过了50多年的发展，已经颇具规模。
随着国家宏观经济由政策刺激增长向自主增长的有序转变，中国玻纤行业也在2011年经历了由快速增长向增速逐步回落的转变。2011年全年累计玻纤纱产量达279万吨，共有在产池窑69座，池窑产能270万余吨。
2012年我国调整玻璃纤维行业准入标准，由原来2007年版《玻璃纤维行业准入条件》中3万吨/年的新建玻纤粗纱池窑产能标准高到了5万吨/年。2012年1-12月我国玻璃纤维纱产量达到了430.96万吨，比2011年同期增长了10.17%。
玻璃纤维市场行业前景趋势分析：
长远来看，中东、亚太基础设施的加强和改造，对玻纤需求增加了很大的数量，随着全球在玻纤改性塑料、运动器材、航空航天等方面对玻纤的需求不断增长，玻纤行业前景仍然乐观。另外玻纤的应用领域又扩展到风电市场，这可能是玻纤未来发展的一个亮点。能源危机促使各国寻求新能源，风能成为近年来关注的一个焦点，中国在风电领域也开始加大力度投资。到2020年，中国在风力发电领域将投资3500亿元，其中，20%(即700亿元)左右的领域需要使用玻纤(如风机叶片等方面)。这对中国玻纤企业来说是一个很大的市场。总的来说，未来玻纤产品作为新材料在中国的应用领域将会越来越宽广，市场仍具有非常大的发展空间。
前瞻网：2013-2017年中国玻璃纤维行业产销需求与投资预测分析报告，共十章。首先介绍了玻璃纤维的定义、分类、特性、成分及用途等，接着分析了国际国内玻璃纤维行业的发展现状和市场运行情况。随后，报告对玻璃纤维行业做了工业统计数据分析、区域发展分析、进出口分析、应用领域分析、投资潜力分析和未来前景趋势分析，最后全面分析了国内重点玻璃纤维制造企业的经营状况。
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第五篇：碳纤维复合材料的发展及应用
—— 邳州高新区招商局 丁建队1.1 碳纤维材料的历史背景
碳纤维材料的发现和使用始于1860年斯旺制作碳丝灯泡,成为发明和使用碳纤维的第一人。之后爱迪生使用竹丝制作碳丝作为灯丝，达到了照明45小时的效果。20世纪90年代中期，美国、日本、英国相继开始展开对碳纤维材料的研究。1972年，日本用碳纤维材料制造鱼竿，美国使用碳纤维材料制造高尔夫球杆，碳纤维材料开始应用于日常生活。1992年,日本东丽公司研制成功高模中强碳纤维。其后，碳纤维材料趋向于高强度高弹性模量的方向发展。如今，碳纤维材料已经广泛应用于建筑、航空航天以及汽车制造行业。 1.2 碳纤维材料的特性简介
碳纤维材料是由碳元素构成的一种纤维材料，其在微观上呈类似人造石墨的乱层石墨结构。
碳纤维材料具有良好的物理化学性质。碳纤维密度小、质量轻，密度为1. 5~ 2 g /cm3，它的比重不到钢的四分之一，但抗拉强度是钢的七到九倍，其良好的比强度使得其被广泛应用于航空航天等对重量限制要求苛刻的领域。
其化学性质同样良好，具有耐腐蚀，耐疲劳，耐高温和低温，同时其具有良好的导电性，介于金属和非金属之间。除此之外，碳纤维还具有耐油、抗辐射、抗放射、吸收有毒气体和使中子减速等特性。[1] 2 碳纤维材料的种类及其发展
按碳纤维原丝不同主要可以分为:1.PAN基碳纤维;2.黏胶基碳纤维;3.沥青基碳纤维;4.酚醛基碳纤维。 2.1 PAN基碳纤维
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维由聚丙烯腈经纺丝、预氧、碳化几个阶段形成。PAN基碳纤维具有高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀、优异的电性能等特点，并具有很强的抗压抗弯性能，一直在增强复合材料中保持着主导地位。目前，PAN基碳纤维仍是碳纤维市场中的主流。PAN基碳纤维应用的主要领域有：航空航天工业，地面交通工具，如汽车、赛车、快速列车等，造船工业、码头和海上设施，体育用品与休闲用品，电子产品，基础设施以及造纸、纺织、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等领域，要求零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作。 2.2 黏胶基碳纤维
黏胶基碳纤维是由主要成分为纤维素的粘胶纤维经过脱水、热解然后碳化而得来的。黏胶基碳纤维的三维石墨结构不发达，导热系数小;石墨层间距大，石墨微晶取向度低，因此是理想的耐烧蚀和隔热及热防护材料。同时，黏胶基碳纤维是由天然纤维素木材或棉绒转化而来，与生物的相容性极好，又可作为良好的环保和医用卫生材料。但是，由于生产黏胶基碳纤维的工艺流程较长，工艺条件苛刻，不适宜大批量生产，成本较高;另外，黏胶基碳纤维的整体性能指标比PAN基碳纤维的要差，综合性能价格比在竞争中处于劣势，因此从20世纪60年代以来其生产规模逐渐萎缩，目前产量已不足世界碳纤维产量的l%。 2.3沥青基碳纤维
沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制成。沥青基碳纤维的生产原料成本低于聚丙烯腈基碳纤维，但由于沥青基碳纤维的生产工艺复杂，反而使其生产成本大大增加。此外，沥青基碳纤维抗压强度比较低，其后加工性能也不如聚丙烯腈基碳纤维，因此其生产规模和应用领域都受到了一定限制。不过，由于沥青基碳纤维具有优良的传热、导电性能和极低的热膨胀系数，因此仍在必须要求这些性能的军工及航天领域发挥着独特作用。 2.4酚醛基碳纤维
酚醛基碳纤维阻燃性、绝缘性极好;可在松弛条件下碳化，加工工艺简单，碳化时间短且温度低，碳化率高，且手感柔软，但强度和模量较低。酚醛基碳纤维主要用于复写纸原料，耐腐蚀电线，以及用来制造耐热、防化防毒、无尘等特种服装。
3 碳纤维增强型复合材料 [2]碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,做成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料,其比强度、比模量综合指标,在现有结构材料中是最高的。在强度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都颇具优势。
CFRP 是目前最先进的复合材料之一,它以轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料。
CFRP 的力学性能主要取决于基体的力学性质、碳纤维的表面性状以及纤维与键合界面的性质,而基体的性能及纤维的表面性状直接关系到界面的键合和粘接性能。 3.1 碳纤维树脂基复合材料及其应用
碳纤维增强树脂基复合材料具有一系列的优异性能, 主要表现在以下几个方面。
(1)具有高的比强度和比模量。CFRP 的密度仅为钢材的1/5，钛合金的1/3，比铝合金和玻璃钢(GFRP)还轻，使其比强度(强度/ 密度)是高强度钢、超硬铝、钛合金的4 倍左右，玻璃钢的2 倍左右;比模量(模量/密度)是它们的3 倍以上。
(2)耐疲劳。在静态下，CFRP 循环105 次、承受90%的极限强度应力时才被破坏，而钢材只能承受极限强度的50%左右。
[3](3)热膨胀系数小。 (4)耐磨擦，抗磨损。
(5)耐蚀性。碳纤维的耐蚀性非常优异，在酸、碱、盐和溶剂中长期浸泡不会溶胀变质。CFRP 的耐蚀性主要取决于基体树脂。
(6)耐水性好。 (7)导电性好。 (8)射线透过性。
树脂基碳纤维复合材料由于其优异的性能，被广泛用于航空航天，汽车制造等工业部门。美国空军的F系列战斗机中大量采用了碳纤维材料以减轻机身重量。在汽车方面，宝马公司采用了碳纤维材料来制造汽车车身。在能源领域，风力发电的风机叶片既需要足够的强度，又要有较小的密度，因而树脂型碳纤维复合材料是良好的选择。 3.2 碳纤维金属基复合材料及其应用
金属基复合材料一般都在高温下成形，因此要求作为增强材料的耐热性要高。在纤维增强金属中不能选用耐热性低的玻璃纤维和有机纤维，而主要使用硼纤维、碳纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维。基体金属用得较多的是铝、镁、钛及某些合金。碳纤维是金属基复合材料中应用最广泛的增强材料碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机的结构材料。
[4]树脂基复合材料通常只能在350℃以下的不同温度范围内使用。近些年来正在迅速开发研究适用于350℃～1200℃使用的各种金属基复合材料。碳纤维增强金属基复合材料是以碳纤维为增强纤维，金属为基体的复合材料.碳纤维增强金属基复合材料与金属材料相比，具有高的比强度和比模量;与陶瓷相比，具有高的韧性和耐冲击性能.金属基体多采用铝、镁、镍、钛及它们的合金等.其中，碳纤维增强铝、镁复合材料的制备技术比较成熟.制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是碳纤维的表面涂层，以防止在复合过程中损伤碳纤维，从而使复合材料的整体性能下降.目前，在制备碳纤维增强金属基复合材料时碳纤维的表面改性主要采用气相沉积、液钠法等，但因其过程复杂、成本高，限制了碳纤维增强金属基复合材料的推广应用。 3.3 碳纤维陶瓷基复合材料及其应用
碳纤维增强陶瓷基复合材料(CMC-Cf)在克服陶瓷材料脆性的同时，发挥了其比强度高、高温性能优异等优点，同时还具有优良的力学性能、抗磨损性能和热传导性能，成为高温结构材料的研究热点。目前，CMC-Cf的基体相主要有炭、碳化硅、微晶玻璃以及多元多层复合材料等。碳纤维作为增强相，实现了复合材料的轻量化，并赋予其优异的力学性能。但碳纤维自身的抗氧化能力差，在温度高于400℃时，一旦与氧化介质接触，纤维将被氧化，性能迅速下降，进而影响
[5]复合材料整体性能，缩短使用寿命。因此，氧化问题成为限制CMC-Cf。性能提升与应用领域拓展的瓶颈。 4 碳纤维材料的发展现状及前景 4.1 国内外发展现状 4.1.1 国内发展现状
我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩,进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500t/ 年原丝、200t/ 年PAN基碳纤维(只有东丽碳纤维T300水平)，使我国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。从2000年开始我国碳纤维向技术多元化发展，放弃了原来的硝酸法原丝制造技术，采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术获得成功。目前利用自主技术研制的少数国产T300、T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。
2009年，国内碳纤维产业多年来发展落后缓慢的局面得以改变，生产企业和投资基地都在不断增多，本行业的发展从此进入了一个全新的时期。但是与发达国家相比，我国目前的碳纤维生产能力(特别是高端产品)与国际水平还存在相当的差距：产能只占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右，大量碳纤维产品仍靠进口，真正国产化还需要一个漫长的过程。
[6]中复神鹰自主研发的年产1000吨碳纤维生产线于2008年10月顺利投料生产，2009年产量达到550吨,产销量位居国内第一位,有效缓解了国内碳纤维的供应紧张局面;威海拓展纤维有限公司也于08年引进了一条年产1000吨碳纤维生产线并顺利投产。但与发达国家相比，我国碳纤维产业刚刚起步，在产量和高端产品品种上仍还远远不能满足国防和国民经济建设的需要。 4.1.2 国际发展现状
近几年随着先进复合材料的发展，碳纤维需求激增，引爆了近年来世界性的碳纤维危机，这场危机从2005年开始日趋明显，至2007年达到极点。自碳纤维危机爆发以来，各大碳纤维生产厂商急剧扩张，扩大产能，缓解了碳纤维紧缺的供应情况。2008年下半年爆发了世界金融危机，实体经济受影响颇深，碳纤维的需求也有所回落。尤其是2009年经济衰退陷入最低谷时，很多碳纤维制造商也推迟或放慢了自己的发展计划。但是进入2010年以来，随着经济危机的好转，全球碳纤维市场出现快速回暖的迹象。巨大需求刺激碳纤维市场回暖，因此对碳纤维的需求总体仍处上升趋势。目前世界碳纤维产量达到4万t/年以上，随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势。据相关部门预测，世界碳纤维需求将以每年大约13%的速度飞速增长，碳纤维的全球需
[7]求量2018年将达到10万t。全世界主要的碳纤维生产厂商是日本东丽、东邦人造丝和三菱人造丝三家公司, 美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA 三家公司，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业等少数单位。 4.2 未来发展前景
随着工业技术的迅速发展，在航空航天，车辆交通等领域，物件的强度和可靠性需要更多的提高，而重量也是一个重要的因素，因此碳纤维材料将越来越成为高强度材料领域内的主导。
然而，碳纤维材料的普及使用依然存在一些问题。首要问题是技术垄断问题，目前全世界范围内掌握碳纤维材料的制造和研发仅仅有美国和日本的少数几家公司，其他国家在碳纤维材料研究领域进展不明显。其次是碳纤维材料的适用范围有限。虽然碳纤维材料具有良好的物理化学性质，其高模量高比强度的性质优越，但是并非很多领域都需要用到这样的优良性质，仅仅是在航空航天和交通领域内应用和需求较多。最后一个问题是碳纤维的造价问题，目前碳纤维材料成本高昂，导致使用的范围缩小，难以普及，急需在生产方式上进行改进，来降低碳纤维材料的造价。另外生产碳纤维材料的高能耗和高排放对自然环境也造成了一定的影响。
[8]