首先要告訴大家一個好消息:就在10月14日,我國第一個萬噸級48K大絲束碳纖維工程國產線生產出來了合格的產品,這也就預示著我國的大絲束碳纖維生產設備徹底突破了技術瓶頸,走向了產業化,完全具備了大批量生產的能力。
這次的突破就是集中在三個字“大絲束”上面。
而碳纖維又分為大絲束和小絲束,一般而言,碳纖維的“絲束”指的就是:一束碳纖維絲中含有的原絲數量,就是用K來表示,1K表示一束碳纖維絲中含有1000根原絲,那就很好理解了,K得數值越大,那自然含有的原絲數量就越多。
在國際上,將1K、3K、6K、12K、24K的碳纖維均稱為小絲束碳纖維。也只有48K以上的碳纖維才被稱為大絲束碳纖維。
而本次國內生產出來的48K碳纖維自然就屬于大絲束了,相比于小絲束碳纖維而言,大絲束碳纖維最大的優勢就是:可以大幅度提高碳纖維單線的產能和質量性能,還可以實現生產低成本化,畢竟產量上去了。
事實上,我國在2018年就突破了48K大絲束碳纖維的關鍵技術。然而,技術突破歸技術突破,與實際的產業化還是有一段路程要走的。或許國內的48K大絲束碳纖維用了4年時間,才實現產業化。其實,這個速度也不慢了。
首先要明確一點,就是大絲束碳纖維的用途。正常而言,大絲束碳纖維主要用在風能發電機的風扇葉片,太陽能,高鐵動車的部件,飛機的部件等等。而以上就涉及到了軍民兩用,尤其是在航空工業,國防工業上。
風扇葉片
在制造風力發電機上的風扇葉片上,就可以使用大絲束碳纖維,該材料可以使風扇的葉片重量減輕15%~20%,以此就可以提升發電效率。尤其是在制造100米及更長的風扇葉片時,碳纖維就成為了重要的材料,重量越輕,壽命也就越久。
而在2021年,國內風扇葉片應用碳纖維的重量已經達到了2.25萬噸,未來可能達到10萬噸級的需求。可見,即便是國內風力發電設備制造市場上,對大絲束碳纖維的需求有多大,國內可以自產自銷之后,就可以購買國內廠家生產的,從而不必再受國外的要挾了。
高鐵動車等軌道交通
在高鐵,動車,城軌,磁懸浮列車等軌道交通裝備領域,大絲束碳纖維也有廣泛應用前景,與常用的鋁合金材料相比,當軌道交通車輛用上碳纖維復合材料部件以后,能夠實現減重30%以上,可以直接降低運營成本。
戰斗機
戰斗機的機翼,機身,尾翼,垂尾都可以用碳纖維制造。像F-22,F-35,F-18,陣風,臺風,F-2等戰斗機都大量使用了碳纖維來制造機體。不僅僅減輕了空重,還提升了隱身能力。
洲際導彈
碳纖維一般主要用于制造洲際導彈的殼體,使用了之后就可以明顯地降低洲際導彈的總重量,提升有效載荷,大洲際彈道導彈的威懾力也提升上去了。
說起碳纖維,就不得不提國際三強→“日本東麗,日本東邦,日本三菱麗陽”,可以說,世界上碳纖維市場的半幅版圖都被以上三家給占據了。既然有實力占據全球市場的一半,那就足夠證明日本的三家公司的技術還是很先進的。
相比于日本領先的碳纖維技術,我國的盡管不如,但是差距也不大。時至今日,已經可以自產T300,T700,T800,T1000等高強度碳纖維,還可以制造M40J和M55J高模量航天用碳纖維,基本上已經可以滿足國內的需求了。
2019年時,在國內的碳纖維市場中,國產碳纖維自給率只占20%左右,對外依存率高達80%。
尤其是大絲束碳纖維更加緊缺,國內大絲束碳纖維需求量有1.4萬噸,但是國產量卻僅有1000噸,占比為0.071%。
通過以上這兩個例子可知:在2020年之前,我國碳纖維對外的依賴率有多高。只不過,隨著國內技術的發展,國產碳纖維的產量也在逐步地提高,占比也在慢慢提高。
到了如今,國內徹底可以自產48K大絲束碳纖維了,國外產品會慢慢被替代的。
我國的碳纖維技術發展于1960年~1970之間。
我國第一條碳纖維生產線是在1974年7月份開始建造,與1976年建成。建成之后,便可以生產出拉伸強度為2.8GPa,拉伸模量為250GPa,斷裂伸長率1.5%的碳纖維。當該生產線通過國家鑒定和驗收之后,還在1978年獲得了全國科技大會獎。
盡管我國的碳纖維發展不晚,但是在21世紀之前,與國外的差距是在逐漸增大的。
比如說,東麗公司在1986年已經研制出了高強中模T-1000碳纖維,又在1992年研制出了高模中強M-70J碳纖維。
而我國的碳纖維也是進入21世紀,才有了大發展的,相繼開發了CCF300和HF10A,這兩個型號的碳纖維,綜合性能與東麗公司生產的T-300碳纖維性能相當。
在2015年,國內相關公司就生產出來了T700級碳纖維。不過到了2016年,國內碳纖維的產量僅為3600噸。
而在2017年,再次突破了低成本T800級碳纖維生產技術,這時總產量就一下子攀升到了7400噸。
在2018年,我國碳纖維已成功實現了從12K小絲束到48K大絲束的突破。總產量繼續上升,已經高達9000噸,距離萬噸大關就差臨門一腳。
在2019年,再次突破了T-1000級超強碳纖維的核心技術突破,并且在國內首次開發出聚丙烯腈基新型中空碳纖維,產量終于突破了萬噸大關,直達12000噸。
由此可見,經過幾十年的發展,我國的碳纖維技術已經逐步趕上了國際領先水平。
盡管,國內的最先進碳纖維已經距離國外的不是很遠了,但是在一些性能上還是有差距的。比如說:生產線的產能。另外,東麗目前可以生產T-1100級別的碳纖維,以及M70J高模量碳纖維,國內技術還是有一點差距的。