完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程:先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯,并经氨氧化后得到丙烯腈,丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈( PAN )原丝,再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维。碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料,碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合,可形成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。
众所周知,碳纤维的制造过程既困难又昂贵。建设一条世界一流的生产线以及设备组装需要大量资本,仅设备一项就至少需要2500万美元,并且最多可能需要两年的时间才能投入运行。因此,实际的成本可能更高。
截止目前,全球PAN基碳纤维领先的生产商仅仅为十几家,其中较为核心的技术掌握在东丽、三菱、帝人等发达国家企业手里,在我国国内上海石化是碳纤维原丝领域的重量级企业,拥有自主腈纶技术和国产化装备,具备在现有的腈纶装置上生产原丝的技术能力。
金属材料具有均质特性,并且在行业内部已经形成了一套固定的衡量准则,也就是说每个生产商生产的P20钢性能接近,可以与同行企业相互交换供应。但是,碳纤维生产商生产的碳纤维虽然看起来相似但不相同,比如碳纤维的拉伸模量、拉伸强度、压缩强度和疲劳强度等力学性能完全没有办法来制定统一标准。
PAN基碳纤维现可提供低模量(<32Msi)、标准模量(33至36Msi)、中模量(40至50Msi)、高模量(50至70Msi)和超高模量(70至140 Msi)等规格。碳纤维按照丝束规格,其产品范围从1K到350K(1K等于1000根细丝,直径范围从5到10微米),常用的碳纤维种类有3k、6k、9k、12k等。此外产品的碳含量和表面处理/上浆类型也不同,比如亮光、哑光等。
碳纤维除了用于航空航天领域、国防军事领域和体育用品外,汽车构件、风力发电叶片、建筑加固材料、增强塑料、钻井平台等碳纤维新市场也被正在运用。此外还运用在压力容器、医疗器械、海洋开发、新能源等领域能够起到加强、防静电和电磁屏蔽的作用。
阅读延伸:《碳纤维板的特点和应用案例简析》