碳纖維細(xì)如發(fā)絲、輕如鴻毛，單根直徑只有5至7微米，大約是人頭發(fā)絲的十分之一粗，密度大約只有鋼的四分之一。同時(shí)，它又強(qiáng)如鋼鐵。一束一米長的T1000級碳纖維，重量大概只有0.5克，卻可以承擔(dān)500公斤左右的拉力。

憑借優(yōu)越的力學(xué)性能，以及耐腐蝕、抗氧化、不生銹等特性，如今碳纖維被加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，成為制造先進(jìn)復(fù)合材料的重要增強(qiáng)材料，應(yīng)用范圍日益廣泛，成為不少人口中的“新材料之王”。

從棒球棒、網(wǎng)球拍，到自行車、汽車、風(fēng)電葉片，再到大型飛機(jī)、運(yùn)載火箭……在位于青海西寧的中復(fù)神鷹碳纖維生產(chǎn)基地展廳內(nèi)，一件件實(shí)物、模型展品令人目不暇接，彰顯了這種新材料的應(yīng)用正向高端工業(yè)制造和尖端科技領(lǐng)域不斷拓展。

作為碳纖維重要市場，我國碳纖維一度大量依賴進(jìn)口，價(jià)格十分昂貴。因此，碳纖維又被稱為“黑色黃金”。彼時(shí)，市場上高性能T700級碳纖維曾經(jīng)賣出過每噸數(shù)百萬元的高價(jià)。而后來，當(dāng)國產(chǎn)高性能碳纖維“開花結(jié)果”，國際市場碳纖維價(jià)格應(yīng)聲回落。

國內(nèi)碳纖維發(fā)展兩大“潛力股”領(lǐng)域

01風(fēng)電葉片 碳纖維葉片應(yīng)用已成趨勢

近年來，國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)量快速增長，國家能源局最新數(shù)據(jù)顯示，今年前7個(gè)月，國內(nèi)風(fēng)電新增裝機(jī)量達(dá)2631萬千瓦，累計(jì)裝機(jī)量達(dá)3.9億 千瓦。而隨著平價(jià)時(shí)代到來，風(fēng)機(jī)大型化趨勢尤為凸顯，陸上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量最高突破10兆瓦，海上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量突破18兆瓦，葉片長度也在不斷刷新行業(yè)紀(jì)錄。

快速大型化給風(fēng)機(jī)葉片材料性能帶來全新考驗(yàn)，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料性能不足的情況下，碳纖維成為最新的“潛力股”。

黃軒指出，與玻璃纖維相比，碳纖維的比模量和比強(qiáng)度均大幅增加，碳纖維復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料密度更低、強(qiáng)度更高，突破了玻璃纖維材料的性能極限，可保障風(fēng)機(jī)葉片在增加長度的同時(shí)降低重量。“利用碳纖維葉片可進(jìn)一步提升海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)上限，甚至可支撐20兆瓦、300米葉輪直徑的機(jī)組開發(fā)。”

除了為海上風(fēng)電機(jī)組大型化提供保障，業(yè)界普遍認(rèn)為，隨著我國海上風(fēng)電開發(fā)范圍不斷擴(kuò)大，深遠(yuǎn)海等復(fù)雜工況區(qū)域?qū)θ~片提出了更高要求，碳纖維材料的高強(qiáng)度性能將能適應(yīng)更加惡劣的工況環(huán)境。另外，輕量化葉片還可以降低吊裝和運(yùn)輸?shù)碾y度，對海上風(fēng)電全生命周期降本有所幫助。

據(jù)吉林化纖集團(tuán)黨委書記、董事長宋德武介紹，2022年，全球風(fēng)機(jī)葉片對碳纖維的需求量占到全球碳纖維需求總量的25.7%，我國風(fēng)機(jī)葉片碳纖維需求量也占碳纖維整體需求的23.5%。

在宋德武看來，與航空航天、軍工科技等領(lǐng)域相比，風(fēng)機(jī)葉片所需的碳纖維產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)有所不同，技術(shù)成本相對更低，生產(chǎn)過程中，可根據(jù)不同性能、工藝和成本，設(shè)計(jì)不同應(yīng)用性能和生產(chǎn)工藝參數(shù)，相對快速實(shí)現(xiàn)碳纖維量產(chǎn)。

在此情況下，近兩年來我國碳纖維產(chǎn)業(yè)高速增長。數(shù)據(jù)顯示，2022年，國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能達(dá)到11.2萬噸，供應(yīng)量首次超過進(jìn)口量。

金風(fēng)科技股份有限公司葉片結(jié)構(gòu)主設(shè)兼葉片產(chǎn)品經(jīng)理袁淵指出，近年來，國內(nèi)碳纖維計(jì)劃產(chǎn)能增長十分可觀，碳纖維葉片的研發(fā)應(yīng)用規(guī)模同樣快速增長。

“早在2017年，國際市場上已有整機(jī)制造商開啟了碳纖維葉片的應(yīng)用，LM、西門子歌美颯、維斯塔斯等跨國企業(yè)也都有百米級碳纖維葉片產(chǎn)出。隨著國內(nèi)海上風(fēng)電市場的蓬勃發(fā)展，2022年，國內(nèi)海上大葉片發(fā)展實(shí)現(xiàn)了全面趕超。目前，國內(nèi)市場上已有大量海上風(fēng)機(jī)葉片采用碳纖維設(shè)計(jì)，國內(nèi)主流整機(jī)和葉片廠商也都規(guī)劃了下一代海上大兆瓦機(jī)組，更大的海上風(fēng)機(jī)碳纖維葉片也都在開發(fā)之中。”

據(jù)了解，目前，明陽智能、上海電氣、東方電氣、金風(fēng)科技等國內(nèi)主流整機(jī)商都已開啟碳纖維葉片的試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，2022年以來，國內(nèi)新開發(fā)、新批量生產(chǎn)的海上風(fēng)電機(jī)組中，超過70%都應(yīng)用了碳纖維葉片，即使在陸上風(fēng)電機(jī)組中，部分企業(yè)也已經(jīng)開始小批量實(shí)測應(yīng)用碳纖維葉片。

02汽車領(lǐng)域 汽車工業(yè)將成碳纖維應(yīng)用新領(lǐng)域

此前，碳纖維由于成本高，多用于風(fēng)電、航空航天、軍工、跑車等特定領(lǐng)域。如今，隨著技術(shù)進(jìn)步，碳纖維不僅功能和強(qiáng)度都有所提升，成本也有一定的下降。

北京化工大學(xué)教授徐樑華表示，近年來，我國碳纖維行業(yè)的發(fā)展形勢非常好，目前已形成黏膠基、瀝青基、聚丙烯腈基3種類別的制備體系;以二甲基亞砜法為主，二甲基乙酰胺法和硫氰酸鈉法共同參與的原絲制備技術(shù)體系;濕法紡絲、干濕法紡絲、小絲束與大絲束工藝齊頭并進(jìn)的工藝體系;高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模、高強(qiáng)高模齊全的產(chǎn)品體系。

隨著碳纖維復(fù)合材料性能的不斷提高以及“雙碳”政策的加持，越來越多的汽車制造商也將目光投向于此。

中國一汽研發(fā)總院高端汽車集成與控制全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任葉福恒認(rèn)為，輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑之一。碳纖維復(fù)合材料所具備的優(yōu)點(diǎn)，適用于汽車外觀件、車身結(jié)構(gòu)、底盤結(jié)構(gòu)件等多個(gè)場景，是汽車深度輕量化的理想材料。

“合適的材料要用在合適的位置。”葉福恒表示，多材料混合用材方向?qū)⒅铺祭w維復(fù)合材料在汽車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化應(yīng)用。在預(yù)期成本不斷下探，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完備的全新市場中，碳纖維用材占比及用量有望呈現(xiàn)上升趨勢。目前，碳纖維復(fù)合材料已應(yīng)用到寶馬7系、寶馬iX、奧迪A8、蔚來ES6、雪佛蘭等車型。

對于如何實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料規(guī)?；瘧?yīng)用，葉福恒表示，這將始于全產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)動(dòng)的顛覆式開發(fā)創(chuàng)新，并需要全產(chǎn)業(yè)協(xié)同并解決共性技術(shù)問題，進(jìn)一步構(gòu)建低成本開發(fā)路徑。同時(shí)，還需要圍繞新能源汽車轉(zhuǎn)型升級，通過集成化和功能化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)低成本和高價(jià)值的雙協(xié)同，打造不止于“輕”的高價(jià)值場景。

葉福恒還談道，先進(jìn)的量產(chǎn)制造技術(shù)將有助于碳纖維復(fù)合材料的規(guī)?；瘧?yīng)用?；旌鲜褂眠B續(xù)和非連續(xù)纖維可進(jìn)一步拓展碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)異形實(shí)體部件的復(fù)材化。此外，數(shù)據(jù)表明，回收后的碳纖維仍有很好的力學(xué)性能和利用價(jià)值，不僅能用于要求相對較低的應(yīng)用場景，還可減少能源消耗，這將進(jìn)一步完善產(chǎn)業(yè)鏈。

此外，北京科泰克科技有限責(zé)任公司技術(shù)總監(jiān)趙亮還提到，車載儲(chǔ)氫氣瓶也是碳纖維復(fù)合材料值得探究的新應(yīng)用場景。

文章來源：中國化工報(bào)，城關(guān)發(fā)布，中國能源報(bào)