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中日碳纤维博弈,中国可否赶超日本?

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-04-08  作者:中国碳谷网  浏览次数:125
核心提示:碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石
 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处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,质量较铝更低。但其强度却高于钢铁,更具有耐腐蚀、高模量的特性,在现今所有工业领域,已成为最重要的材料。由于其纤维细丝结构,所以碳纤维兼备纺织纤维的柔软可加工性。进入新世纪以来,其在工程与制造业领域的重要性日益增加。

对于碳纤维材料来说,强度(TensileStrength)以及模量(Tensile Modulus)是其最重要的两个指标。

强度与模量

那么,碳纤维的“强度”与“模量”分别代表什么含义?最通俗的说法就是,强度越高的纤维丝,它就越不易被拉断。而模量数越高,则丝体就越是“坚挺”而不易弯折。相反,模量低则丝体会显得“软趴趴”。

目前主流的碳纤维丝,其型号或者标注TXXX,通常以高强度为主要特征,或者是写着MXXJ,则走意模量为主的路线。而两者标号越是高,则代表材料越是高端。前者目前实现量产的最高规格,为T1000型,后者目前高规格主流为M60J。


通常来说,两种特性的弹纤维丝是不能单独使用的。生产和加工中,一般按照其用途,依照不同的比例来进行混合。以目前流行的汽车用碳纤维车架来说,T1000纤维虽强度惊人,但由于其模量不足,太软而难以成形。所以在实际加工全碳纤维车架的时候,必须要混合一定比例的M60J规格纤维。反之M60J虽然坚挺,但实际强度指标不足,故同样无法被单独加工成材。

而根据美日两国目前的法令,任何规格高于T800与M60J级(含)以上的碳纤维材料,是严禁对华出口的

台面下的博弈

早在碳纤维材料开始大量工业化运用的20年前,从上世纪70年代起,日本东丽公司的聚丙烯腈碳纤维,就有高强度和高模量两个系列。以当时的技术而言,同时实现碳纤维的高强度和高模量在技术上是难以实现的。正所谓——鱼与熊掌,不可兼得。

但是,自上世纪末以来,随着MJ系列的出现,这一问题似乎得到了一定的解决。虽然目前MJ系列的碳纤维依然以模量系数为主,但在强度方面较之以前的纯模量类产品,得到了一定的改善。



使用碳纤维材料制造的超级跑车。其车身和部件所使用的材料,以MJT两种规格碳纤维混合制作。上述特性也使得美日对于MJ系列碳纤维材料的控制,实际较之T系列更为严格。根据有关研究,MJ产品最大特点就是纤维表面都有沟槽。

目前,世界碳纤维产业总规模已达到年总产量4万吨以上。随着中国产业的逐步升级,对高性能材料需求的日益增长,目前国内每年对碳纤维材料的需求量已超过4千吨规模。其中尤以各类可被用于航空器、航天器的高强度型号,需求最为旺盛。然而,碳纤维材料的核心技术,目前仍被日本、美国、德国等三国家垄断。其商业化产能,亦集中在上述国家的少数企业手中。


美制“全球鹰”大型无人机,碳纤维是其超长、超薄机翼的重要材料

近年来,为了抑制中国国家力量的增强,各类关键性国防装备与技术的研发,美日等国严格执行高端碳纤维产品对华禁运、各类生产技术严格封锁的政策。对于任何敢于打破禁令对华运送这一宝贵战略物资的人,都予以最严厉的惩处。此外,在中低端产品领域,多家国外业界领先企业,先后登陆中国市场,对正在努力成长的本土企业形成强大的竞争压力。在上述背景之下,虽然目前中国政府极大地加强了对碳纤维行业的引导和扶持力度,但在当前依然偏大的技术差距下,国产碳纤维的突围之路仍然坎坷。

目标——东丽!

碳纤维曾是中国长期忽视的领域。自上世纪80年代以来,仅有少数机构和研究单位,凭借极为有限的资金在磕磕绊绊地关门搞着研发。那么,当时的水平到底如何呢?2007年,国内某实验室好不容易弄出个T300等级的3K碳纤维。WJB在参观后曾感动地称赞道:30年磨一剑!然而T300级产品,即便在2007年都只是业界的低端品而已……好在进入新世纪以后,随着中国经济的全面起飞,资金困难的问题已得到了极大的缓解。在十二五规划启动后,随着国务院一声令下之后,数以几千亿的资金涌入了碳纤维领域。很短时间内,位于全国各地的十几家碳纤维生产公司先后挂牌成立,整个产业似乎一夕而成。


密集的投资在较短的时间内提升了国内相关产业的能力。5年之后,国内产品的产能和品质,已有了全面的提高。公开渠道的多条新闻均指出,继2012年25吨级T800试生产线竣工投运后,中国首条千吨级T800生规格碳纤维产线,于2014年3月在江苏镇江新区奠基。该项目总投资达6亿之巨,并已于数天前正式启动。而其目标更是直指当今业界龙头企业,日本东丽公司!

由于中国官方正为解决碳纤维材料问题而不惜血本进行投资,由此也令相关企业乐观地预计,国内最快将在2020年建成首条千吨级T1000碳纤维生产线和百吨级MJ系列高强度高模量碳纤维生产线。与此同时,还将开展T1200和M70J级等更高性能纤维的产业化工作。


说完了规划,也许有人不禁要问:国内目前主流国产碳纤维,究竟在什么水平上呢?

以中复神鹰2012年开始量产的SYT45型例,根据2014年的公开材料其抗拉强度达到4.5GPa以上,模量约为240GPa。与日本东丽的产品相比(抗拉强度4.9GPa)有10%左右的差距。而到了2014年,中复神鹰已经有了SYT49/SYT50(当时暂不能大规模量产),其抗拉强度分别达到4.9GPa/5.0GPa。

在MJ系列碳纤维方面,2016年年初,中科院宁波材料所在国内率先实现了M55J级高强高模碳纤维制备,随后经过工艺验证、稳定化技术开发,初步具备了小批量稳定生产能力;在此基础上,2018年3月宁波材料所成功突破M60J级碳纤维制备技术。

从上述国内进展可以看到,中国企业在该领域的进步速度是令人满意的。然而即便如此,我们还是远远落后于日本,当我们开始能够稳定生产T800级产品的同时,东丽公司已经开始生产T1100型产品了,虽然M60J碳纤维制备技术实现突破,但是距离东丽M65J、M70J纤维性能及量产也仍有明显差距……

发展技术犹如逆水行舟

时间进入2016年,日本曾经引以为傲的家电产业,已被中国企业杀至全面总崩。但日本的国运是否会真正从此衰落,尚有诸多未定之数。其中以碳纤维材料为代表的新材料技术,将是支撑日本继续屹立于世界强国之列的关键性产业。

日本在该领域内的优势是巨大的。就在今年1月14日,日方高调宣布:其开发出一种全新工艺,可使聚丙烯腈类碳纤维的生产效率提高10倍,而且还能减少生产所需能量及二氧化碳排放量


此次开发的全新制造工艺,是在日本新能源产业的技术综合开发机构(NEDO)以汽车重量减半为目标的材料及接合及技术综合开发项目“革新性新构造材料等研究开发”中,以东京大学为中心,与日本产业技术综合研究所、东丽、帝人、东邦特耐克丝(帝人集团)、三菱丽阳共同开发的。而上述4家公司,2014年在聚丙烯腈类碳纤维领域握有全球65%的份额。

毫无疑问,积攒了第二次世界大战后半个世纪的功力,日本的材料技术界在未来相当长一段时间内,仍旧能对华形成一定的技术优势。这场新材料领域内的博弈,可能将延续几十年之久。

文章来源:支点智慧服务,部分内容由中科院宁波材料所特种纤维事业部完善

 
 
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