碳纤维应用前景广阔
□ 石油和化学工业规划院 史献平
目前，碳纤维的主要应用领域为航天、航空、军工、娱乐休闲及工业，其中工业领域的应用近年来不断扩大，将主导未来碳纤维的发展方向。2011年世界碳纤维消费量约4.58万吨，其中航空航天占15.3%，工业领域占65.1%，消费品领域占19.6%。表1为全球碳纤维需求预测。
表1 全球碳纤维需求统计及预测 万吨
年 份 2011 2015（预测） 2020（预测）
航空航天 0.70 1.31 1.97
工业 2.98 6.86 12.07
消费品 0.90 1.08 1.33
合计 4.58 9.25 15.37
1. 航空航天
资料显示，空客380碳纤维复合材料消耗量为每架70吨，占总重的50%。波音787复合材料占总重的60%，包括机身、机翼、机翼箱、机尾和其他结构部分。两种飞机均为未来一个时期的主流机型，其中波音787订单目前已近千架。商用大飞机大量采用碳纤维复合材料的目的主要为了降低飞机自重，增大有效负荷、节油以降低温室气体。波音787采用复合材料后可节油20%。
由于采用碳纤维制造的飞机具有重量轻、速度快、易操控及隐性等优点。军用飞机的制造材料越来越多的采用碳纤维。目前美国军机所用的碳纤维复合材料平均占重量30%～35%，占表面积的50%。军用飞机的碳纤维消耗量取决于其订货量，受世界安全形势影响较大，预计未来5～10年里将以5%～7%的速度增长。碳纤维复合材料直升飞机中开始只用于旋翼，现在已开始用于机身、动力系统、制动系统等。V-22鱼鹰飞机碳纤维复合材料的重量比已占到41%。
在航天应用中每架航天飞机消耗碳纤维约13吨。此外，导弹的弹体、发动机和发射筒也大比例使用碳纤维复合材料，以减轻自身重量，增加有效负荷，提高射程同时提高防腐性能。运载火箭也在越来越多地使用碳纤维复合材料，包括结构材料和功能材料。碳纤维在结构方面的作用主要是减重和补强。太空运载火箭将1公斤的载荷送到指定位置，需要20公斤的发动机和燃料的重量，减重的意义非常重大。表2为世界碳纤维在航空、航天就军工领域的需求预测。
表2 碳纤维在航空航天及军工领域需求预测吨
年 份 2011 2015（预测） 2020（预测）
商用大飞机 4300 7910 13290
军用固定翼飞机 500 770 1000
螺旋桨飞机 370 400 460
公务机 240 590 720
通用航空 600 1000 1250
喷气发动机 380 1660 1930
航天和运载 450 520 550
碳-碳复合材料 160 240 500
合计 7000 13100 19700
2. 工业领域
目前碳纤维在工业领域中的应用已超过全部用量的60%。随着新用途的不断开发，工业应用所占比例还会进一步扩大。在工业领域中当属风电领域最有发展前景。全世界近年来每年新增风电装机容量近40000MW，增速约为22%～23%。随着大功率发电机的发展，叶片尺寸将越来越大。玻纤叶片的临界长度为60米。长度再增加时，必须保证其强度和刚性，同时要轻量化，玻璃纤维的性能达不到这些要求，必须要采用碳纤维复合材料。GE能源公司目前使用三菱丽阳和卓尔泰克的大丝束(≥24K)标准模量的碳纤维生产下一代1.6-100风机，叶片长度为48.7米。预计生产1600台，仅2012年消耗3000吨碳纤维。
海上风电场将为碳纤维提供较大市场。海上风电机的显著特点是功率大，最小为2MW。目前建设的海上风电场主流电机功率为5.0～6.1MW，旋翼直径为126M，已经建造的最大风力发电机为7.5MW。据预测，到2019年，全世界将生产2.7万台风电机，需要8.2万条叶片。每条叶片所用复合材料中碳纤维含量大约占6%，平均功率按3～5MW计算，碳纤维需求量接近7万吨。
汽车出于轻量化的需要，也在尝试使用碳纤维复合材料。东丽公司宣布将向丰田公司和富士重工提供车身用碳纤维，同时开发新RTM成型技术，使碳纤维复合材料成型时间由原来160分钟缩短到10分钟。丰田将在Lexus LFA，发动机舱盖和车顶生产中使用碳纤维材料；富士重工将在车顶使用。帝人和三菱也在开发快速成型技术，推广碳纤维在汽车制造方面的应用。帝人与通用汽车合作，开发“一分钟部件”生产技术，以便将碳纤维复合材料用于汽车生产。
汽车生产企业也在进行碳纤维应用试验。BMW将在2013和2014年推出i3和i8两款碳纤维车型，两款车均采用SGL50K车用碳纤维。为此，SGL和BMW合资在美国建设3000吨车用碳纤维生产线。美国Cytec Industries Inc2012年8月宣布同汽车制造商美洲豹和路虎结成战略联盟，在低成本碳纤维复合材料的设计、制造等方面进行合作，以使其能作为汽车结构材料。2011年1月，奔驰公司和东丽公司在德国Esslingen建立合资企业生产碳纤维汽车零部件，用于Mercedes-Benz轿车生产。福特汽车公司同道化学合作生产低成本碳纤维复合材料，用于福特汽车减重计划，以使福特公司在2020年达到每车减重340公斤的目标。碳纤维能否在汽车生产中大规模使用，关键要解决三个问题，即低成本、高成型速度和稳定的碳纤维复合材料供应。美国橡树岭国家实验室正在进行用于汽车的低成本碳纤维的研究，主要思路是探索使用其他种类的原丝来代替聚丙烯腈原丝，包括木质素、烯烃和聚乙烯等。
除风电和汽车外，土木工程与基础设施也是碳纤维在工业中的重要应用领域。如桥梁等混凝土建筑物修复和加固，可以很方便地施工，而且不影响建筑物的美观。油井采油抽油杆采用碳纤维材质后，单井产液量可提高4～8吨/天，泵效提高约24％，综合节能约50%。电缆芯使用碳纤维复合材料可消除钢芯铝导线存在的磁阻现象和热效应，在相同传输容量下，综合线损可减少6%～8%，还可减少20%甚至更多的塔架。碳纤维也是优良的电热材料。以碳纤维通电、发热为热源，通过向外辐射波长为5～15μm的远红外光波来达到取暖的目的，室内温度可达25～28℃。碳纤维电热转换率高达99%，可保用50年以上，目前在汽车座垫、电热鞋、手套、马甲等产品上使用。另外，碳纤维在水产养殖和水环境治理、机械驱动轴、压力容器等方面也有着较好的应用前景。表3为碳纤维在各工业领的需求预测。
表3 碳纤维在工业领域的应用统计和预测吨
年 份 2011 2015（预测） 2020（预测）
风电 12280 37600 67400
油气开采 1380 2700 10650
模塑复合材料 5750 7700 10170
工业压滚 450 700 820
压力容器 1650 7250 12520
汽车 2700 4000 5600
土木建筑 1900 2900 3900
拉索 1300 2200 3710
其他 180 500 1520
医疗器械和假肢 240 320 440
工具 2000 2700 3960
合计 29830 68570 120690
3. 消费领域
大约有7～10种常用体育休闲器材越来越多地使用碳纤维复合材料来代替金属和其他材料，包括滑雪板、鱼竿、保龄球、网球拍、划艇桨、帆船、曲棍球杆、自行车等。体育休闲器材主要利用碳纤维的轻质、高强和高刚性等优异性能。体育休闲是碳纤维应用较早的领域之一，处于相对成熟的阶段，在发达国家已无太大发展潜力，但在发展中国家还有较好的发展前景。表4为碳纤维在消费领域需求情况及预测。
表4 消费类碳纤维应用分析吨
年份 2011 2015（预测） 2020（预测）
体育用品 6840 7180 7860
航海 800 1600 2190
其他 1380 2010 3240
合计 9020 10790 13290