林刚1，申屠年2
（1. 广州赛奥碳纤维技术有限公司；2. 富阳特种纤维应用研究所）
摘要：简介了国际碳纤维及其复合材料的最新发展概况，并对中国从聚丙烯腈到碳纤维复合材料整个产业链和各关键链段的发展现状做了分析和反思。提出并论述了以下观点：要以系统论的思想发展碳纤维及其复合材料产业链；需从复合材料系统性降低成本来实现低成本化；深入了解与借鉴国际碳纤维行业的发展经验，调整我们的发展理念与方向；充分整合国际优质资源，建立较高水平的技术装备平台；转变观念，提升产学研的合作效益；借鉴国外成功经验，加强我国复合材料共享数据库建设；强化行业宏观管理，强力推进整个产业链的突破。最后提出创建碳纤维及其复合材料产业链联合会建议。
关键词：碳纤维；碳纤维复合材料；产业链；发展现状；反思；产业链联合会前言
低通滤波器设计作者继2010年发表了―掌握前沿创新理念科学发展—中国碳纤维及其复合材料发展之我见‖一文后，将再次以此命题针对中国低水平重复发展中的碳纤维及其复合材料产业链现状展开反思，分析并提出了一些想法和观点，旨在抛砖引玉，吸引业界官、产、学、研、用更多的关注、思考和作为，及时作出有针对性的调整和有实效的变革举措，确保这个新兴的高新技术产业能科学、理性、健康和领衔发展，并实现对国民经济诸多重要领域和行业的转型升级、节能减排和创新高效的引领和推进作用。
1 国际碳纤维及其复合材料的发展现状
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1.1 碳纤维及其应用市场
近几年，大量投资涌入碳纤维领域，世界8大公司完成了新一轮的扩产；土耳其AKSA异军突起；韩国的Taekwang、Hyosung等纷纷进入碳纤维领域；印度Kemrock进入碳纤维；沙特Sabic宣布与意大利Monte合作，在西班牙和沙特建设碳纤维生产线；我国也有大量的企业纷至碳纤维领域。碳纤维复合材料的应用开发进展主要突出表现在汽车和风电叶片两个方面。
防撞钢梁⑴宝马汽车入股SGL，推出了世界第一款大量采用碳纤维复合材料的商用车Megacity；同时，美国与日本的多家汽车公司宣布了与碳纤维公司的合作，共同
打造碳纤维复合材料汽车零件，图1是东丽对碳纤维在汽车领域的应用做出的估计[1]。
图1 东丽对碳纤维在汽车领域的应用作出的估计
配送区域
⑵Zoltek多年来致力于推广低成本大丝束碳纤维，为风电叶片领域总共供应了大约20000 t大丝束碳纤维。随着风电叶片长度的增加，国内已经有企业开始尝试使用碳纤维预浸料，开发风电叶片的支撑梁。鉴于对风电与汽车使用碳纤维复合材料的信心，Zoltek对全球碳纤维未来几年的需求增长信心十足[2]（见图2）。不过对于碳纤维未来市场预测，国内外向来分歧较大。国内乐观派认为，―今后5年内碳纤维产品需求会产生爆发性增长，中国市场需求量将超过3万t/a，未来甚至可达数十万吨/年‖，―仅电力输送就需10万t/a以上‖，―复合材料火车车厢也需要10万t/a‖，纺织机械也要上万吨/年……但我们认为：自日本碳纤维1970年代进入市场，历经40余年，世界市场也只4万t/a左右规模，目前看不出有井喷式发展趋势。其原因主要是碳纤维―贵‖，不可能像玻璃纤维那样广泛应用，除非其所用原料大幅降价，或出现革命性的新工艺和新技术，而目前现实是原料不断涨价，也未看到崭新技术出现的苗头。由于丙烯腈价格在不断上涨，碳纤维成本也随之上升，制约了碳纤维复合材料的大面积使用。Zoltek预计2017年碳纤维需求将达425k t/a的预测误差过大。实际上，近年来世界金融危机和债务危机不断，全球经济形势不好，使碳纤维消费量处于停滞甚至下滑状态，例如，2009年因金融危机，全球碳纤维销售量从2008年的4.2万t下降到3.7万t，2010年销量有所回升，但2012年受欧债危机影响预计又将有所下降。
图2 Zoltek预计至2017年全球碳纤维的潜在需求量楼梯防护栏杆
1.2 预浸料发展方向
全世界最著名的预浸料公司是Toray 、Hexcel、Cytec、Gurit、ACG（2012年已被Cytec收购）和TenCate。这些公司的碳纤维预浸料产品在近几年呈现了新的预浸发展趋势。
⑴大丝束碳纤维预浸料在工业领域的优势凸显[3]。单向碳纤维预浸料面密度高达600 g/m2，这类厚重的预浸料大大提升了预浸和后续铺放工艺的效率。在风电叶片与汽车领域有广泛的应用。
⑵非热压罐工艺（OOA，Out of Autoclave）的预浸料大力发展[4]。此成型工艺大大降低了预浸料后
续固化成型的时间与成本，这些新型的预浸料可以采用较低成本的真空袋压法、先进拉挤法和热模压法。产品如Hexcel的HexPly®M 56，Tencate的TC 250，Cytec的Cycom 532，ACG的MTM 44-1。
⑶不同预浸料产品形态的出现[3]。短切预浸料，可以采用经济型的模压工艺，产品如Hexcel的He xmc，De n c a t e的MS系列产品；半预浸料，在预浸工艺时不需要完全―湿透‖纤维，在后续工艺中完成完全浸润，产品如He x c e l的Hexfit。
⑷针对不同应用的专用预浸料[4]。如汽车领域，对零件短时间成型要求高，为满足后续快速成型工艺，必须开发＜5 min的快速固化预浸料，产品如Hexcel 的Hexply M77，可以在150 ℃下2min固化；为了满足风电叶片支撑梁–厚层合谢宇风
板的生产，Gurit开发了SparPregTM，无需压实和借助其他排气织物，就可以获得低孔隙率的层合板；在复合材料模具领域，各家也开发了相应的预浸产品，如Hexcel的Hextool，ACG的DFormTM专业产品。
⑸结构与功能结合的预浸料。在树脂中混入纳米碳管或短切碳纤维，再浸润碳纤维丝束或织物，形成具有吸波功能的预浸料。 ⑹与其他材料共固化的预浸料。预浸料可以与灌注的树脂共同固化，可以与SMC共同模压固化，也可以用单向预浸料﹢织物预浸料﹢SMC共同模压固化。
⑺碳纤维热塑性预浸料。近几年，热塑性预浸料及其复合材料迅猛发展，与热固性预浸料相比，热塑性预浸料无需冷库仓存与运输，后续成型工艺高效且方便，材料的韧性大，抗冲击性能好，尤其可再生利用，符合节能减排绿环保趋势。但热塑性预浸料存在的最大问题主要有 4 个：一是热塑性树脂的高粘度导致与纤维的浸润非常困难；二是还没有合适的低成本、高效率和能保证质量的预浸料制备方法与装备；三是高性能热塑性树脂成型温度在350 ℃以上，预浸料及其复合材料制品成型工艺难度很大；四是高性能热塑性树脂与通用热固性树脂相比较价格太昂贵。目前国际上主要通过粉末喷涂、纤维混纺、薄膜辊压等工艺，获取了不同树脂质量分数精度的热塑性预浸料，分别满足各类成型应用的需要。
图3 有关公司的自动铺纤(带)机和热塑性铺带机
1.3 复合材料新型成型工艺
对于高端复合材料成型工艺，由于预浸料具有精确的纤维和树脂质量分数优点，所以以预浸料为原料，发展了很多新的成型工艺，有些正在替代传统成型工艺。另外，汽车领域对复合材料短时间成型要求高，也催生了一些快速成型工艺。
⑴新型拉挤与缠绕工艺。传统的拉挤与缠绕工艺的最大优点是自动化程度高，缺点是由于丝束浸润树脂的质量分数不均和较为随机的排列，导致树脂质量分数精确度低、纤维浸润均匀度低和产品品质不高的缺点。采用预浸带材后，传统拉挤工艺可以提升为先进拉挤工艺（ADP，Advanced Pultrution），既可以完成精确的铺放，又可以采用连续模压，形成高品质型材；缠绕工艺采用预浸带，则可以生产出更精密的管材与罐类产品。
⑵自动铺纤维（带）工艺。1960年代，美国空军率先开发自动铺带技术，实现了对手工铺放工艺的替换。之后，以美国MAG Cincinnati、Ingersoll，法国Forest-Line（2011年被MAG收购）和西班牙M-Torres为代表的传统数控机床设备厂家积极推动大型自动铺放设备的发展，2012年MAG推出了铺纤、铺带一体机；随着工业机器人在工业中的普及，借助多轴机器人带动铺放头的自动铺放设备蓬勃发展，可以经济地加工中心型零件的铺放。法国的Coriolis是这个行业的典范，他们开发的16（或32）条窄带，窄带宽度6.35mm，可实现16（32）条内任何数量的铺放，满足复杂表面的高精度铺放。热
塑性预浸带自动铺放设备也是一个亮点，在铺放预浸带的同时，通过激光、热吹风等加热方式熔化树脂，把预浸带压实到模具上，是热塑性复合材料精密加工典型的工艺[5～7]。有关公司的自动铺纤（带）机和热塑性铺带机见图3。
⑶预浸料模压成型工艺（P r e p r e gCompression Molding，PCM）。为满足汽车行业对复合材料快速成型的要求，以日本三菱为代表的厂家推出这个新型工艺（该工艺示意图见图4），结合其最新推出的大丝束碳纤维P330 60k 和WCF 50k，三菱希望实现具有与小丝束类似的良好加工性与高性能，与小丝束类似的高品质，利用PCM实现高产能，最终为汽车行业提供良好的价格与产量[8]。
⑷先进树脂传递模塑成型工艺（Advanced RTM）。除了基于预浸料的新型工艺，对于干型增强材料，比如各类机织布、多轴经编织物、三维编织物、缝编织物等，这些预成型Preform）制件通过剪裁后，放置到模具中预定型，然后进入RTM 模具，高压注入树脂，模具加热加压，对材料固化定型。得益于新型的快速固化的树脂，复合材料可以在5 min内完成（工艺示意图见图5）。目前，东丽、宝马与SGL的合资公司均采用该工艺，成功应用于汽车复合材料的部件成型[8]。
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