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中日碳纖維博弈,中國可否趕超日本?

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-04-08  作者:中國碳谷網  瀏覽次數:687
核心提示:碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維,是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石
 碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維,是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。其密度通常在1.5-2克/立方厘米,質量較鋁更低。但其強度卻高于鋼鐵,更具有耐腐蝕、高模量的特性,在現今所有工業領域,已成為最重要的材料。由于其纖維細絲結構,所以碳纖維兼備紡織纖維的柔軟可加工性。進入新世紀以來,其在工程與制造業領域的重要性日益增加。

對于碳纖維材料來說,強度(TensileStrength)以及模量(Tensile Modulus)是其最重要的兩個指標。

強度與模量

那么,碳纖維的“強度”與“模量”分別代表什么含義?最通俗的說法就是,強度越高的纖維絲,它就越不易被拉斷。而模量數越高,則絲體就越是“堅挺”而不易彎折。相反,模量低則絲體會顯得“軟趴趴”。

目前主流的碳纖維絲,其型號或者標注TXXX,通常以高強度為主要特征,或者是寫著MXXJ,則走意模量為主的路線。而兩者標號越是高,則代表材料越是高端。前者目前實現量產的最高規格,為T1000型,后者目前高規格主流為M60J。


通常來說,兩種特性的彈纖維絲是不能單獨使用的。生產和加工中,一般按照其用途,依照不同的比例來進行混合。以目前流行的汽車用碳纖維車架來說,T1000纖維雖強度驚人,但由于其模量不足,太軟而難以成形。所以在實際加工全碳纖維車架的時候,必須要混合一定比例的M60J規格纖維。反之M60J雖然堅挺,但實際強度指標不足,故同樣無法被單獨加工成材。

而根據美日兩國目前的法令,任何規格高于T800與M60J級(含)以上的碳纖維材料,是嚴禁對華出口的。

臺面下的博弈

早在碳纖維材料開始大量工業化運用的20年前,從上世紀70年代起,日本東麗公司的聚丙烯腈碳纖維,就有高強度和高模量兩個系列。以當時的技術而言,同時實現碳纖維的高強度和高模量在技術上是難以實現的。正所謂——魚與熊掌,不可兼得。

但是,自上世紀末以來,隨著MJ系列的出現,這一問題似乎得到了一定的解決。雖然目前MJ系列的碳纖維依然以模量系數為主,但在強度方面較之以前的純模量類產品,得到了一定的改善。



使用碳纖維材料制造的超級跑車。其車身和部件所使用的材料,以MJT兩種規格碳纖維混合制作。上述特性也使得美日對于MJ系列碳纖維材料的控制,實際較之T系列更為嚴格。根據有關研究,MJ產品最大特點就是纖維表面都有溝槽。

目前,世界碳纖維產業總規模已達到年總產量4萬噸以上。隨著中國產業的逐步升級,對高性能材料需求的日益增長,目前國內每年對碳纖維材料的需求量已超過4千噸規模。其中尤以各類可被用于航空器、航天器的高強度型號,需求最為旺盛。然而,碳纖維材料的核心技術,目前仍被日本、美國、德國等三國家壟斷。其商業化產能,亦集中在上述國家的少數企業手中。


美制“全球鷹”大型無人機,碳纖維是其超長、超薄機翼的重要材料

近年來,為了抑制中國國家力量的增強,各類關鍵性國防裝備與技術的研發,美日等國嚴格執行高端碳纖維產品對華禁運、各類生產技術嚴格封鎖的政策。對于任何敢于打破禁令對華運送這一寶貴戰略物資的人,都予以最嚴厲的懲處。此外,在中低端產品領域,多家國外業界領先企業,先后登陸中國市場,對正在努力成長的本土企業形成強大的競爭壓力。在上述背景之下,雖然目前中國政府極大地加強了對碳纖維行業的引導和扶持力度,但在當前依然偏大的技術差距下,國產碳纖維的突圍之路仍然坎坷。

目標——東麗!

碳纖維曾是中國長期忽視的領域。自上世紀80年代以來,僅有少數機構和研究單位,憑借極為有限的資金在磕磕絆絆地關門搞著研發。那么,當時的水平到底如何呢?2007年,國內某實驗室好不容易弄出個T300等級的3K碳纖維。WJB在參觀后曾感動地稱贊道:30年磨一劍!然而T300級產品,即便在2007年都只是業界的低端品而已……好在進入新世紀以后,隨著中國經濟的全面起飛,資金困難的問題已得到了極大的緩解。在十二五規劃啟動后,隨著國務院一聲令下之后,數以幾千億的資金涌入了碳纖維領域。很短時間內,位于全國各地的十幾家碳纖維生產公司先后掛牌成立,整個產業似乎一夕而成。


密集的投資在較短的時間內提升了國內相關產業的能力。5年之后,國內產品的產能和品質,已有了全面的提高。公開渠道的多條新聞均指出,繼2012年25噸級T800試生產線竣工投運后,中國首條千噸級T800生規格碳纖維產線,于2014年3月在江蘇鎮江新區奠基。該項目總投資達6億之巨,并已于數天前正式啟動。而其目標更是直指當今業界龍頭企業,日本東麗公司!

由于中國官方正為解決碳纖維材料問題而不惜血本進行投資,由此也令相關企業樂觀地預計,國內最快將在2020年建成首條千噸級T1000碳纖維生產線和百噸級MJ系列高強度高模量碳纖維生產線。與此同時,還將開展T1200和M70J級等更高性能纖維的產業化工作。


說完了規劃,也許有人不禁要問:國內目前主流國產碳纖維,究竟在什么水平上呢?

以中復神鷹2012年開始量產的SYT45型例,根據2014年的公開材料其抗拉強度達到4.5GPa以上,模量約為240GPa。與日本東麗的產品相比(抗拉強度4.9GPa)有10%左右的差距。而到了2014年,中復神鷹已經有了SYT49/SYT50(當時暫不能大規模量產),其抗拉強度分別達到4.9GPa/5.0GPa。

在MJ系列碳纖維方面,2016年年初,中科院寧波材料所在國內率先實現了M55J級高強高模碳纖維制備,隨后經過工藝驗證、穩定化技術開發,初步具備了小批量穩定生產能力;在此基礎上,2018年3月寧波材料所成功突破M60J級碳纖維制備技術。

從上述國內進展可以看到,中國企業在該領域的進步速度是令人滿意的。然而即便如此,我們還是遠遠落后于日本,當我們開始能夠穩定生產T800級產品的同時,東麗公司已經開始生產T1100型產品了,雖然M60J碳纖維制備技術實現突破,但是距離東麗M65J、M70J纖維性能及量產也仍有明顯差距……

發展技術猶如逆水行舟

時間進入2016年,日本曾經引以為傲的家電產業,已被中國企業殺至全面總崩。但日本的國運是否會真正從此衰落,尚有諸多未定之數。其中以碳纖維材料為代表的新材料技術,將是支撐日本繼續屹立于世界強國之列的關鍵性產業。

日本在該領域內的優勢是巨大的。就在今年1月14日,日方高調宣布:其開發出一種全新工藝,可使聚丙烯腈類碳纖維的生產效率提高10倍,而且還能減少生產所需能量及二氧化碳排放量。


此次開發的全新制造工藝,是在日本新能源產業的技術綜合開發機構(NEDO)以汽車重量減半為目標的材料及接合及技術綜合開發項目“革新性新構造材料等研究開發”中,以東京大學為中心,與日本產業技術綜合研究所、東麗、帝人、東邦特耐克絲(帝人集團)、三菱麗陽共同開發的。而上述4家公司,2014年在聚丙烯腈類碳纖維領域握有全球65%的份額。

毫無疑問,積攢了第二次世界大戰后半個世紀的功力,日本的材料技術界在未來相當長一段時間內,仍舊能對華形成一定的技術優勢。這場新材料領域內的博弈,可能將延續幾十年之久。

文章來源:支點智慧服務,部分內容由中科院寧波材料所特種纖維事業部完善

 
 
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