碳纖維是一種以聚丙烯腈、瀝青、粘膠等為原料，經預氧化、碳化或石墨化等工序而制得的含碳量大于90％的高性能纖維，其具有高強度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、導電和導熱等優(yōu)異性能，在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐腐蝕性出類拔萃，是21世紀的“新材料之王”，是國民經濟和國防建設不可或缺的戰(zhàn)略性新材料。聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）是工業(yè)化生產的主流產品，其產量占全球碳纖維總產量的90%。

一、最新研發(fā)進展評述

PAN-CF至20世紀60年代起步，經過50余年的逐步發(fā)展和提高，其制備技術和生產工藝基本成熟，歐美國家碳纖維應用市場不斷擴大，國內碳纖維需求日益增加。目前世界上小絲束碳纖維的主要生產商包括日本東麗、日本東邦人造絲、日本三菱人造絲三家公司、美國的Hexcel公司和Cytec公司、臺灣臺塑公司（T800）、土耳其阿克薩公司（T300）。大絲束碳纖維的主要生產商包括美國Zoltek、Aldila公司，日本東邦、日本東麗和德國SGL公司等。日本東麗是世界碳纖維的標桿生產企業(yè)，代表著高性能碳纖維研發(fā)的最高水平。汽車輕量化是碳纖維潛在的最大應用領域，碳纖維的低成本化和高性能化已成為了現(xiàn)今碳纖維的發(fā)展趨勢和研究熱點。

國內外正在通過開拓新型的、廉價的、可替代的碳纖維前軀體以及開發(fā)新的工藝方法，以降低碳纖維生產成本。日本九州大學尹·宮脇研究室以廉價的無灰煤（Hyper-coal）作為新型的前軀體，通過低溫溶劑分離和薄層蒸發(fā)法調控其相對分子質量分布和氧含量，制備的碳纖維拉伸強度可達1100Mpa，潛能巨大。日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）開發(fā)的“新型聚合物+微波碳化+等離子體表面處理”技術，可大幅度簡化工藝，使能耗削減50%。三菱公司通過裂解輪胎冷凝物，合成優(yōu)質瀝青，可規(guī)模化生產廉價高性能瀝青基碳纖維及納米碳管。美國橡樹園國家實驗室于2001年開始低成本碳纖維制備研究，2016年發(fā)放技術許可，其“大絲束腈綸+微波等離子碳化”技術可使成本降低50%（70元~80元/千克），同年與復合材料公司LeMond達成了專利轉讓協(xié)議。德國碳纖維材料研發(fā)機構MAI碳素公司已獲得德國政府8000萬歐元的支持，用于將碳纖維制造成本降低90%項目的研發(fā)。東華大學也在跟蹤研究，并已試制出紡速為500~1000m/min的熔融紡絲的低成本PAN原絲；“PAN芳環(huán)化+熔體或干噴濕紡+快速氧化”技術已獲美國授權發(fā)明專利2件、日本授權發(fā)明專利5件、中國申請發(fā)明專利3件；該技術正處于中試階段。

此外，大多數(shù)PAN基碳纖維生產企業(yè)都在積極開發(fā)碳纖維新品種，發(fā)展下游碳纖維材料產業(yè)鏈，包括高壓輸電線、風電葉片、工程塑料、汽車部件、壓力容器、結構加固用片材等。例如：東麗公司已決定逐步淘汰T300類碳纖維，重點發(fā)展拉伸強度為4000-5000MPa的碳纖維品種（價格與T300基本相當）；東麗最新研發(fā)成功的超碳纖維（UCF）是TORAYCA^?的T2000，強度高達60GPa，相當于碳纖維理論值（180GPa）的1/3。三菱公司開發(fā)50K和60K的大絲束碳纖維新品種“PyrofilP330”，產品綜合性能達到該公司“TR50S/TRH50”（相當于T700水平）小絲束碳纖維的性能水平，可滿足大型風電和高壓輸電線張力新材的需求；東邦開發(fā)的超高強型的“Tenax-EUTS5524K”新品種，用于深海油田碳纖維復合材料管道、臍帶式管、纜、高壓容器和新一代飛機。

二、國內外對比分析

目前，全球已經形成以日本、美國為代表的典型生產線，東麗集團采用DMSO技術路線，三菱麗陽采用二甲基甲酰胺技術路線，東邦公司則采用氯化鋅技術路線。國外碳纖維企業(yè)單線產能大，T300級別的碳纖維產能一般達到2,000噸以上，生產線的工位多，生產速度快，干噴濕紡速度的可達400米/分鐘，碳化速度可達15米/分鐘。

我國碳纖維產業(yè)在過去10年間已實現(xiàn)了“從無到有”的突破，工藝技術不斷提升，工藝裝備不斷優(yōu)化，應用領域不斷拓展。威海拓展纖維有限公司建成了兩條2500t/a原絲和1000t/a碳纖維生產線，PAN基原絲采用亞砜一步法，進行GQ3522和GQ4522碳纖維的批量生產。同時，威海拓展突破了高強中模T800級及高模M40J級碳纖維制備工程化技術，與進口同等級別碳纖維性能相當。江蘇恒神股份有限公司采用三釜串聯(lián)連續(xù)共聚，實現(xiàn)了高均勻性、高牽伸性聚合物溶液的制備，在國內率先采用大面徑噴絲板技術，提高了紡絲均勻性，突破了干噴濕紡原絲細旦化、高取向化的關鍵技術，實現(xiàn)了高紡速的干噴濕紡工藝。其開發(fā)的HF50S-12K碳纖維，拉伸強度均值，彈性模量均值達到日本東麗公司T1000G標準。

目前我國碳纖維總產能約1.5萬噸/年（2016年全球產能約12.8萬噸/年），實際年產量僅為4000噸，開工率約20%。30多家國產碳纖維企業(yè)的規(guī)模普遍偏小，單體企業(yè)年產能約為1000噸～3000噸（東麗產能2.11萬噸）。國內碳纖維企業(yè)以生產小絲束碳纖維為主，大絲束碳纖維制備部分企業(yè)尚在試生產中。

三、應用前瞻

隨著碳纖維價格下跌，其優(yōu)異性能將被廣泛應用于民用各行各業(yè)。汽車行業(yè)中“輕量化”和風電行業(yè)中“大型化”將吸引大量碳纖維復合材料份額，據(jù)Reinforced Plastics推測，到2020年，全球碳纖維總量中，汽車行業(yè)將占比23%，風電行業(yè)占比21%。

（1）航空航天。

廣泛應用在火箭、導彈和高速飛行器等航空航天業(yè)，包括主機翼和機身。

（2）能源領域。

隨著風電葉片長度的增加，減輕葉片的質量，又要滿足強度與剛度要求，有效的辦法是采用碳纖維。國內已經完成真空灌注超過70米長的碳纖維風電葉片大梁。

（3）交通運輸。

碳纖維制品因卓越的力學性能是汽車輕量化的首選材料。低成本、高性能的CFRP生產工藝和配套裝備是推進碳纖維在汽車輕量化應用的根本動力。大絲束及其展紗技術可提供低成本生產原料，3D預成型體織造技術可提高零部件性能，樹脂固化時間大大縮短提高了生產效率。

（4）其他。

如混配模成型、頁巖氣及氫氣存儲、轉運、加氣站的耐高壓容器、碳纖維增強水泥、碳纖維格柵增強混凝土、碳纖維格柵除冰公路及橋梁建筑維修、充電電池、燃料電池、電磁屏蔽塑料、通訊和商用機器等領域。