- 高性能化學纖維生產及應用
- 中國化學纖維工業協會
- 2663字
- 2020-07-17 13:10:22
第五節 技術展望
一、技術發展趨勢
(1)高性能化和輕質化。碳纖維復合材料需瞄準大型結構部件,要求不僅具備良好的強度和剛度,還需要具備一定的韌性,以保持較高的綜合性能。而隨著節能、降耗要求的日益提高,輕量化是交通裝備發展的重要方向,為復合材料的應用和技術提升提供了巨大的空間和迫切的需求。
(2)多功能化。隨著復合材料技術的日益成熟及應用領域的不斷擴大,在滿足力學性能要求的基礎上,實現多種功能協同作用是重點發展方向,如實現放熱、隔熱、減震降噪、隱身等功能。
(3)低成本化。成本高是制約碳纖維復合材料應用的重要因素。未來,低成本化將是碳纖維復合材料發展的大趨勢和永恒主題。實現低成本化的途徑包括:提速紡絲和碳化速率來降低碳纖維生產成本,采用高生產效率、高成品率并能充分發揮材料性能的制造工藝,合理的材料設計和應用等。
(4)新型纖維與上漿劑開發。為滿足不同客戶的需求和提高產品性能,研發特定用途的新型纖維和上漿劑,可織成織物、多軸向布、混合紗、三維織物等,更加適用于航空航天及一般民用部件。
二、市場前景
碳纖維經過半個多世紀的發展,已經從幼稚產業逐漸走向成熟,2009年,波音787飛機開始翱翔藍天,意味著碳纖維及其復合材料應用技術進入快速發展階段。技術成熟,應用安全,生產成本逐漸降低;差異化系列產品、新技術、新裝備快速涌現;諸多領域的產品經過了多年沉淀和儲備,正逐步進入市場化運行軌道;新能源利用、環境保護需求迫切。在未來5~10年內,碳纖維及其復合材料預計在以下十大領域會持續或局部泉涌式發展。
(1)航空航天領域是碳纖維及其復合材料應用不變的主題。隨著人類對太空的不斷探索,高速、長航程飛機是人類不斷追求的目標,對無人飛行器的研究也在不斷深入,這使得質輕高強的材料在此領域的應用越來越廣泛,高性能碳纖維及其復合材料就是其中之一,并且在各類航天器件、航空部件、系列無人機等方面將持續擴大應用。
(2)軍工應用將不斷加強。碳纖維因其重要的戰略特性,在軍工應用方面將進一步加強,軍民融合發展模式將使其應用速度進一步加快,用量進一步擴大,在除去目前已經成功應用的火箭、導彈、軍機、防彈裝甲等領域外,在彈藥制備、軍車通信、舟橋輕量化、兩棲裝備、武器膛筒、單體防護、后勤保障等方面,其應用領域和產品將不斷擴展。
(3)海洋探索及應用將不斷深入。利用碳纖維及其復合材料的高強防腐等優異特性,在深海AUV、水下滑翔機、深海浮標、水下機器人等領域,其應用被快速開發;海洋艦艇、海洋游艇、海島建設、海洋能源開發、跨海大橋建造等,將成為碳纖維后續在海上應用的主要擔當者。
(4)汽車及軌道交通應用不斷拓展。新能源汽車、高速軌道交通車輛、磁懸浮列車、空中軌道客車、地鐵、輕軌、城鐵等對質量敏感,目前技術基本成熟,應用驗證已經開始,后期發展速度將不斷加大。
(5)壓力容器系列產品開發及應用。安全可靠、輕量長壽是壓力容器的基本特性需求,碳纖維復合材料壓力容器恰能全面滿足其性能和應用要求,高壓、超高壓復合材料壓力容器的開發及應用,將大大推進其在新能源汽車、常規儲運、燃氣儲運、氫燃料電池儲氫瓶、高壓管道、深海承壓罐體、液壓柱體等領域系列產品的開發及應用。
(6)碳纖維復合材料在熱工及能源領域應用。碳纖維氈體是高溫爐的優良保溫材料,是制備太陽能單晶硅爐中必不可少的熱工隔熱層,其中的碳框、碳架、碳盤、加熱元件等均為碳碳復合材料;燃料電池電極材料、飛輪儲能材料、核電材料等,均需要高強度碳纖維;電力輸送,原油開采,油井傳感探測等也需要碳纖維復合材料的支撐,應用數量逐年呈遞增趨勢。
(7)風力發電新應用。新型風機葉片,采用拉擠碳板加強內部結構,大大改善了風機特性,提高了風力發電機的綜合性能;海洋大功率風力發電機的配置,需要碳纖維提供穩定、高效、長壽的保障;陸地低風速發電機需要碳纖維系統提供輕量化的槳葉及結構。因此,碳纖維在風力發電領域已進入大量推廣應用階段。
(8)基礎設施建設不斷拓展。陸地建筑加固,橋梁、隧道、海洋基地的建設,橋面預應力結構設計及應用、斜拉繩索替代,碳纖維正在成為基礎建設的主承力結構件,由簡單加固向取代鋼筋方面發展,用量不斷遞增。
(9)全民健康產業方興未艾。全民健康是和諧幸福社會的基本體現,輕量化、高強化體育器材的全民配備、競技器材的性能提升、殘疾人保障器材的開發應用、醫療器具的高效使用、家用氧氣瓶的健康保障、娛樂休閑產品的普及推廣等,都會使碳纖維及其復合材料應用不斷拓寬。
(10)環境保護勢在必行。保護好地球是人類賴以生存的基礎,可再生資源碳纖維的制備,可為活性碳纖維、低成本碳纖維的生產奠定良好的平臺,利用活性碳纖維的高吸附特性、孔徑可控制特性和催化劑可加載特性,可將碳纖維大量應用于空氣凈化、水凈化、污水處理、水產養殖等領域,為保護好我們的地球做出新貢獻。
三、碳纖維發展核心制約因素及對策
碳纖維及其復合材料制備是一個復雜過程,是典型的技術密集型產業,在研發、試制、生產、應用過程中,會形成不同的產品系列,會遇到各種各樣的技術難題,在碳纖維生產成本居高不下,企業負擔長期加重的條件下,如何突出重圍,探討策略如下。
(1)探索設立碳纖維產業一條龍格局發展模式。根據市場規律,單純碳纖維生產難以維系企業的長期發展。行業切入,典型制品開發應用,進行技術集成創新,形成本領域系列產品,掌握核心技術,并推廣至相關行業,形成交叉產品體系,以此可帶動碳纖維全產業鏈的發展,做到在碳纖維及其復合材料制品制備過程中,只會有正品、等外品和回收品,而不會有廢品、垃圾和廢料,形成碳纖維及其復合材料的健康循環體系。
(2)高度重視復合材料產品設計。碳纖維復合材料的結構設計遠比普通均質材料復雜,在產品開發過程中,涉及不同材料的基本特性、不同材料間的界面特性、結構及力學分析、應用環境及服役條件等諸多因素。充分發揮計算機應用技術的優勢,結合材料特性及力學基礎理論,建立相關性模型,開展大數據分析,形成真正的碳纖維復合材料設計與應用一體化。
(3)打造可持續研發平臺及人才隊伍。碳纖維的發展是一個長效機制,需要產業支持和引領,需要人才配套與穩定,需要工匠精神,需要不斷積累,需要產學研密切長期結合。縱觀各個行業,都給我們提出了強有力的佐證,一般企業無法提供系統全面、經驗豐富的科研人才,簡單研究機構無法提供綜合的科研條件,建設高端碳纖維及其復合材料開發應用平臺,不斷創新,形成產學研用完整配套,是碳纖維發展的核心。
希望在未來10年,我國碳纖維產業不斷壯大,形成擁有自己特色的強大碳纖維產業體系。