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中国石化 2023-05-16

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主角汪淼是位纳米物理学家
其团队研发出一种材料
高分子纳米“飞刃”
如同一根蚕丝,纤细柔软
却具有极高强度
如果将这种材料用于切割物体
将成为世界上最锋利的刀具

现实生活中是否存在
类似“飞刃”的材料呢?
小石头想到了一个同样细如发丝的产品
碳纤维
它被人称为“黑黄金”
细如发丝,却功能强大
小到球拍、钓鱼竿等产品
大到飞机、卫星、导弹等高精尖设备
都是它大展身手的领域


2022年,碳纤维频频“出圈”。12K小丝束碳纤维材料制成北京冬奥火炬“飞扬”;10月,我国首套万吨级48K大丝束碳纤维国产线在中国石化上海石化投产,打破我国碳纤维生产和装备的被动局面。

那么,碳纤维为什么有叫“大丝束”的,还有叫“小丝束”的?

二者有什么相同点,又有什么区别?


碳纤维是什么?




什么是碳纤维?
碳纤维是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料,不仅具有碳材料的固有本征特性,而且兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

碳纤维性能如何?

碳纤维具备出色的力学性能和化学稳定性,密度是钢的1/5,强度却是钢的7至9倍,是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高比强度(强度/密度)和最高比模量(模量/密度)的纤维。

碳纤维分为T和M两个系列。

T系列表示的是拉伸强度,M系列表示的是模量。T级现在最高等级是T1000,M级最高等级为MJ60。


碳纤维产业发展多少年了?

碳纤维从无到有,经历了100多年的发展,目前全球碳纤维产能已经突破10万吨量级。我国碳纤维技术研发始于1962年,我国是继日本、美国、法国、俄罗斯之后第5个掌握宇航级碳纤维技术的国家

碳纤维产业链如何构成?

简要梳理一下:
原丝→碳纤维→碳纤维织物和预浸料→碳纤维复合材料


完整的碳纤维产业链,包含从原油到终端应用的完整制造过程。


从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯;丙烯经氨氧化后得到丙烯腈,丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝,再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维,并进一步制成碳纤维织物和碳纤维预浸料,作为生产碳纤维复合材料的原材料。


碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合,形成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。


“大小丝束”的区别




碳纤维中的“大”“小”指什么?
碳纤维分类标准有很多,从丝束规格角度分类,可以将碳纤维分为小丝束和大丝束。丝束规格是碳纤维的一个重要指标,是指每束碳纤维中所含的单纤维根数,1K代表一束碳纤维中有1000根丝。

1. 定 义


小丝束

小丝束:
通常指碳纤维根数在4.8万根以下(不含48000)的纤维束,早期小丝束碳纤维以1K、3K、6K为主,逐渐发展出12K和24K等。

大丝束

大丝束:
通常指48K以上的碳纤维,包括48K、50K、60K、80K等。此外,120K和360K的碳纤维,业内称为巨丝束。


2. 性能、价格特点



小丝束:
拉伸强度3.5~7.0吉帕、拉伸模量230~650吉帕。小丝束碳纤维生产工艺难度大、性能优异、价格和成本较高、产量较低,又称“宇航级”碳纤维。

大丝束:
拉伸强度3.5~5.0吉帕、拉伸模量230~290吉帕。大丝束碳纤维因其性能又称“工业级”碳纤维,我国在过去数十年的生产研发中,大丝束的生产一直处于落后的态势,近年来开始有所突破。



3. 应用场景


小丝束:
主要应用于航空航天、高端体育休闲用品等高精尖领域。比如飞机结构、抽油杆、羽毛球杆、网球拍等用品。


大丝束:
大丝束碳纤维受下游风电与汽车轻量化等需求影响,其生产应用前景广阔,多应用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等工业领域。比如汽车零部件、风电叶片、钓鱼竿、增强水泥,以及工业用容器等。




“大小丝束”各有所长,不能互相替代


问:大丝束是小丝束的升级产品吗?为什么小丝束碳纤维可以用在高端领域,而目前大丝束碳纤维不行?

答:碳纤维的发展是从小丝束起步,然后才慢慢发展到大丝束,但大丝束碳纤维并不是小丝束碳纤维的升级产品,它们有各自的应用场景。
小丝束碳纤维被称为“宇航级碳纤维”不仅仅是因为制法工艺难、成本高,还因为小丝束碳纤维进入航空航天等领域时间早,而这一领域有严格、漫长的认证环节,获得认证本身就很难,一旦认证投入使用,伴随终端产品的不断迭代,小丝束碳纤维也需不断地提供产品所需性能的材料。
大丝束碳纤维因出现较晚,没有进入航空航天等领域更新迭代的全过程,考虑到稳定性等因素,再想进入这一领域就比较难。问:大丝束碳纤维相较于小丝束碳纤维的突出优势在于成本低,成本低是否意味着技术水平低?大丝束成本低在哪呢?
答:大丝束相对于小丝束成本低,是因为在同样的时间效率条件下,大丝束产量大、工效高,成本自然就降下来了。从用户体验的角度看,比如用碳纤维缠绕制作一个75兆帕的氢气瓶,大丝束碳纤维可能几下就缠绕制作完成,小丝束可能就需要缠绕制作好几天,效率完全不同,这里可以形象地把大丝束和小丝束类比作宽胶带和窄胶带的关系。
大丝束碳纤维作为原料成本降下来后,下游制作加工终端产品时,加工成本也就降下来了,盈利能力上去了,所以大丝束碳纤维上下游产业链的竞争优势就在于此。

问:大、小丝束碳纤维哪种产品更有前景?中国石化的在碳纤维领域的发展方向是什么?
答:将来大、小丝束碳纤维发展不会是一种竞争关系,而是一种互相促进、互相借鉴的关系。
大丝束碳纤维及复合材料应用前景广阔,目前我国每年进口3万吨左右碳纤维,其中一半以上是大丝束碳纤维。中国石化等企业也在积极进军碳纤维复合材料领域,因为碳纤维本身只是半成品或者说原料,只有跟热固性树脂等材料复合在一起形成制品的时候,其性能就能够充分得到更好发挥。(答者为中国石化集团公司首席专家 庄毅)
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素材丨中国石化报 市场导刊 于 莹 王一冰
编辑丨秦阿琪 刘锦妍
审核丨高宁 刘江波

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