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碳纤维是比强度和比刚度最高的高性能纤维,用途十分广泛。碳纤维(Carbon Fiber)是由聚丙烯腈(PAN)(或沥青、粘胶)等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维,是实现大批量生产的高性能纤维中具有最高比强度(强度比密度)和最高比刚度(模度比密度)的纤维。碳纤维材料以其出色的性能被用于航空航天、风电、体育休闲、汽车等多个领域,是新材料领域用途最广泛、市场化最高的材料。碳纤维技术哪个国家最好?中国碳纤维水平如何?简单来说,碳纤维核心生产技术集中在日本、美国,我国龙头企业正逐步打破国外技术垄断。详情如下:

碳纤维技术领先国家


日本是全球最大的碳纤维生产国,世界碳纤维技术主要掌握在日本公司手中,其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位,日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。


20世纪以来,美、日均在政策层面推波助澜,促进碳纤维产业的发展。如日本在包括“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”和“京都议定书”等多项基本政策中都将碳纤维作为重点推进项目。


在政策支持下,日本碳纤维行业得以更有效集中各方资源,推动产业共性问题的解决。此外,美国国防部高级研究计划局在2006年启动了先进结构纤维项目,美国能源部2014年也为多个碳纤维项目提供了高达1130万美元的资助。


日本国内较早实现了产业联盟,成员覆盖了完整的碳纤维产业链,如新构造材料技术研究联盟(ISMA),其共有39个成员,37家为企业,1家为国立研究所,剩余1家为国立大学。


通过产、学、研的深度结合,日本在碳纤维中间材料技术、成型技术、连接技术与回收技术领域均实现了重大突破,成为世界碳纤维强国。


国际上碳纤维的生产起步于20世纪60年代,经过五十余年的发展,生产工艺技术已经成熟。日、美等少数发达国家掌握了世界碳纤维的核心生产技术,尤其是新近开发的先进技术主要掌握在日本东丽、东邦帝人、三菱丽阳三大碳纤维生产企业中。从产能数据来看,日本东丽是世界最大的碳纤维制造企业(含收购卓尔泰克产能),拥有碳纤维产能5.75万吨,占全球碳纤维运行产能的27.7%,其生产的碳纤维综合竞争力全球排名第一,业内一般对标东丽的产品标准进行研发。其他主要的海外厂商包括美国赫氏(Hexcel)、日本东邦(Toho/Teijin)、日本三菱丽阳(MCCFC)、德国西德里(SGL)、台塑(FPC)等。中国也涌现了诸如吉林化纤、中复神鹰、宝旌、新创碳谷、恒神、光威复材等碳纤维生产企业。


中国的碳纤维技术现状


碳纤维生产工艺流程长,技术壁垒极高。按原丝类型分,碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中,PAN基碳纤维占市场份额的90%以上。PAN基碳纤维是以丙烯腈为原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈,聚丙烯腈经过纺丝得到聚丙烯腈原丝,再通过对原丝进行预氧化、碳化、表面处理等工艺而得。碳纤维生产工艺流程长,整个过程连续走丝,需要对参数精确控制,每个环节都会影响到碳纤维成品的质量和性能。


原丝制备是碳纤维生产的核心环节,原丝的质量直接决定着最终碳纤维产品的质量、产量和生产成本,原丝成本占整个碳纤维生产成本的五成以上。


作为碳纤维的前驱体,高质量的PAN原丝是制备高性能碳纤维的前提条件,但其中的聚合、纺丝、碳化、氧化等工艺并非朝夕能够达成,其产业化工艺以及反应装置核心技术是关键。


PAN原丝制备流程较长,主要包括聚合、纺丝、蒸汽牵伸、上油、卷绕等工序,其中,聚合和纺丝是原丝制备的重要工序。


据《碳纤维产业化发展及成本分析》论述,较高质量的PAN原丝投入与碳纤维产出比约2.2:1,较低质量的原丝与碳纤维产出比约2.5:1,叠加聚合、喷丝、碳化氧化等过程对环境、综合技术等要求较高,进一步导致碳纤维生产成本居高不下。


PAN基碳纤维的原料来源丰富,且其抗拉强度其他二者优越,因此PAN基碳纤维应用领域最广,比如航空航天、体育休闲、风电叶片、汽车工业、建筑补强等领域,市场份额占90%以上。沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维的用途较为窄、产量小。


大多数PAN基碳纤维生产企业具备由原丝生产开始到制作碳纤维到最终完成碳纤维产品的完整生产线。目前全球生产PAN碳纤维的企主要分布在日本和美国,其中日本东丽是全球PAN基碳纤维最主要的生产企业之一。

资料来源:民生证券


我国自20世纪60年代后期便开始PAN基碳纤维研究,历经半个世纪发展,现阶段虽仍与国外有显著差距但已可自主制备以T700、T800、M55J等为代表的一系列高端碳纤维,成功打破国外的技术封锁,成绩斐然。


干喷湿纺也是当前国际碳纤维巨头的主要纺丝方法,日本东丽的主流型号T700、T800、T1000碳纤维都是采用干喷湿纺制备而成。国内企业的碳纤维大部分仍采用湿法纺丝制备,顶尖龙头已成功掌握干喷湿纺工艺。


目前,国际上的干喷湿法的速度已经高达600-700米/分钟,国内也达到了500米/分钟,速度地提升会带来成本的降低,但并不影响纤维的高性能。


同理,对于湿纺工艺,东丽公司对卓尔泰克的原丝生产线提速一倍,国内的一些企业也可以实现250-300米/分钟的速度,对碳纤维的性能无不良影响,反而促进了性能的提升。

资料来源:方正证券


根据中简科技、光威复材公司年报,其碳纤维生产成本主要由材料、人工、制造费用等构成,碳纤维产品制造费用占其成本均在70%以上,成为生产过程中的主要开支。


中国碳纤维真实水平


近年来我国碳纤维产能快速扩张,产能利用率快速提升。近年来受下游需求拉动,我国碳纤维产能快速扩张,2021年我国碳纤维运行产能6.35万吨,同比增长75.41%,占全球碳纤维运行产能的30.5%,产能规模全球第一。过去我国碳纤维产业“有产能无产量”的现象较为严重,产能利用率远低于国际平均水平,近年来随着国内企业不断实现技术突破,产能利用率快速提升,从2016年的14.94%增长至2020年的51.1%,但较65%-85%的国际普遍水平仍有一定提升空间。


我国碳纤维市场国产替代趋势明显。近年来我国碳纤维市场需求不断提升,2021年我国碳纤维市场需求量达6.24万吨,同比增长27.7%。国产化率从2016年的18.4%提升至2021年的46.9%,国产替代趋势明显。主要原因一是受疫情影响碳纤维进口难度增加;二是日本、美国等国限制碳纤维对华出口,国内需求缺口增加;三是国内碳纤维新产能投放,产量增加。


我国碳纤维产品需求结构存在进一步升级的空间。我国碳纤维应用以风电叶片和体育休闲为主,而高附加值的航空航天应用占比不到5%,与全球水平存在显著差距。从单价来看,应用于航空航天领域的碳纤维单价达7.2万美元/吨,价格水平为其他领域碳纤维价格的2.5倍以上。


龙头企业正逐步打破国外技术垄断。经过长期的技术积累,我国以吉林化纤、中复神鹰、宝旌、新创碳谷、恒神股份、光威复材等为代表的国内碳纤维龙头企业正逐步打破国外技术垄断,产能规模不断扩张,部分企业产品性能与国际龙头比肩。


中国最好的碳纤维公司


从我国碳纤维行业发展前期来看,虽有众多企业但大多未掌握核心技术,叠加碳纤维生产制造投入大、建设周期久等特点,部分企业难以存活,行业开始经历“洗牌”,企业数量缩减至10余家。


2010年至今,国内一批碳纤维行业优质企业迎来春天。


光威集团与中简科技成功上市,中复神鹰扭亏为盈,吉林化纤成为国内原丝龙头,行业实现了T700级碳纤维批量化生产和T800级碳纤维、M40J石墨纤维的工程化制备,突破T1000级碳纤维、M50J、M55J、M60J石墨纤维实验室制备技术,具备开展下一代纤维研发的基础。


国内光威复材等企业,产业链比较完整,但原材料等部分仍需外购,且主要销售产品是预浸料等中游产品。


类似的,中航复材碳纤维主要从光威、中简等购买,自身主要进行复材生产。碳纤维原丝占成本的51%,中下游利润并不高。


此外国内企业大客户多为军工或民航企业,定制化需求及行业标准高,对产业进行整合促使上下游合作,才能提高产品适配性。


据《合成纤维工业》2019年第42卷,碳纤维设备生产技术几乎被国外垄断,且严格限制对华出口,如碳化炉、石墨化炉等关键设备研发滞后。


碳纤维整体具有显著的规模效应,产量的增加利于提高碳纤维制造商的盈利能力,绑定大客户利于借助其市场需求较为稳定的增长充分发挥规模优势。


我国政府从70年代即开始大力支持国产碳纤维的发展,由张爱萍将军组织召开的“7511”会议奠定了国家扶持国产碳纤维发展的基础,而“863”计划更是在政策层面为碳纤维国产化替代指明了前进方向。


国家强力支持国产碳纤维的技术攻关、工程产业化和应用牵引,使国产碳纤维的发展取得长足进步。


未来随着碳纤维技术的逐步成熟以及规模化生产对成本的稀释,国内碳纤维产业必然会在降低成本与提高性能方面同步发力,产能利用率有望逐步走高,生产企业的盈利能力也将大幅跃升。


有望依次实现低端领域低成本、高端领域低成本与低端领域高性能低成本的跨越式发展。


碳纤维作为新材料的“无冕之王”,今后将进一步受到国家政策的长期扶持,行业环境有望不断改善,为技术突破、产品性能升级的注入源源不断的强大动力。



来源:乐晴智库精选、轻合金国究中心应用基地

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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