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全球碳纤维需求大爆发 “黑黄金”关键生产技术成功国产化 高端产业迎来大机遇

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全球碳纤维需求大爆发 “黑黄金”关键生产技术成功国产化 高端产业迎来大机遇

发布日期:2022-05-23 作者:网络 点击:

在2019年12月初,工信部印发的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》中,首次将中间相沥青基碳纤维加入到关键战略材料中。


为什么国家会如此重视中间相沥青基碳纤维的发展呢?


沥青基碳纤维的发展历史


1963年,日本大谷杉郎发现聚氯乙烯热解沥青、木质素沥青和煤焦油沥青等经过纺丝、不熔化、碳化处理都可制成碳纤维;


1970年,日本吴羽化学工艺公司在大谷杉郎工作的基础上建成10 t/月规模的通用级沥青基碳纤维短丝的生产装置;


1976年,1976年美国联合碳化物公司制得高性能沥青基碳纤维,建成了240 t/a规模的生产装置。然而,鉴于其技术难度大,其后基本没有企业参与开发,直到1985年日本在这方面的研究工作取得新的突破性进展后,才在钢铁、石油、煤炭、化纤等行业重新掀起试生产的热潮。


1987年9月,日本三菱化成建成500 t/a的高性能沥青基碳纤维的装置,标志着沥青基碳纤维已处于向工业化过渡的新阶段。



中间相沥青基碳纤维性能优势


中间相沥青基碳纤维是一种高模量高性能碳纤维。以煤焦油沥青、石油沥青等为原料,生产步骤包括调制可纺中间相沥青、沥青纺丝、预氧化、碳化及石墨化四大步骤。


1. 高模量:中间相沥青基碳纤维具有极高的弹性模量,是其他材料无法媲美的。可用于航天飞行器、大型飞机、机器人手臂、风电叶片、压力容器、工业辊轴、建筑补强领域等。


2. 高导热:中间相沥青基碳纤维可以具有极高的导热系数,能有效解决火箭喷嘴、飞行器发动机壳体、刹车系统、高密度集成电路、电车顶部集电器、工业换热器等部件的热转移问题,实现高效的热管理。


3. 低膨胀系数:中间相沥青基碳纤维热膨胀系数趋近负数,能够保证相关部件在高温或温度变化频繁的苛刻环境中正常工作而本身形态及性能不发生改变。


中间相沥青生产技术实现国产


去年12月3日,克拉玛依市先进能源技术创新有限公司(以下简称先能科创)宣布:利用乙烯裂解焦油悬浮床液相加氢全转化技术副产的高芳烃蜡油馏分作为原料,成功制备出高品质中间相沥青,经专业机构检测,中间相沥青含量超过90%。


刘宏博介绍说:“一根含碳量95%以上的碳纤维,只有头发丝1/10那么粗,强度却是钢的9倍,重量还不到钢的1/4。碳纤维可用在体育、汽车、航空、国防、军工等多个行业和领域,受美国、日本技术垄断,中国很难进口到高品质沥青基碳纤维材料。”


为突破国外技术封锁,近些年来国内科研机构和企业进行了大量研发,但目前鲜有规模化生产企业。目前国内主流的是聚丙烯腈基碳纤维,约占全部市场的90%,而沥青基碳纤维的基础原料来自于炼化企业的副产物——催化油浆、裂解焦油、煤焦油沥青等,因规模问题,所获原料的品质很不稳定。


“我们的原材料是从中国石油天然气股份有限公司独山子石化分公司获得,公司在炼油过程中所产生的乙烯裂解焦油,收集这个渣油,利用悬浮床液相加氢技术全转化后,取产品中芳烃含量高达100%的蜡油馏分,制备获得的中间沥青质量稳定。”刘宏博说。


先能科创计划2022年对该技术进行中试放大,开展50吨/年中间相沥青中试装置建设工作,同时积极申报各级科研项目,争取更多科研资金支持。



先能科创总经理潘磊认为,新疆具有发展碳纤维材料的先决优势,煤化工和石油化工生产中副产的焦油、催化油浆等,是制备碳材料的优质原料,若能够利用煤焦油、石油沥青中的有效组分制备高品质、高价值的碳材料,对煤化工、石油化工产品的分质分阶利用,延伸产业链有着重要意义。


碳纤维本身具备低比重、高强度的优异属性,与其他材料复合制成的碳纤维复合材料具有高强轻量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等特点,因此在诞生之初便作为战略性物资应用于国防、航空航天等军用行业。


之后随着商业化的顺利推进及成本的不断降低,碳纤维优异属性被广泛认知,应用范围持续拓宽,并逐步在民用领域大放光彩,成为军民两用的优异新材料品种。


全球碳纤维需求持续增长,我国结构性差异蕴含机遇


全球碳纤维需求量稳步增长,未来仍将处于高速增长期。


我国碳纤维行业目前已逐渐步入快速发展期,相关能源产业竞争优势明显,在“双碳”政策目标指引下,风电、光伏、氢能等产业有望迎来加速发展,碳纤维市场空间广阔。


过去 10 余年间,随着碳纤维下游应用渗透率的提升,全球碳纤维需求量稳步增长,2019 年全球碳纤维需求量首次突破 10 万吨,相较 2008 年 CAGR 达 10%。


2020 年受疫情影响下游航空业受损明显,但其他产业需求旺盛,全年需求量仍较 19 年同比提升 3%达到 10.7 万吨,据赛奥碳纤维技术预测,2025 年全球碳纤维需求量有望达到 20 万吨,5 年 CAGR 将达 13.3%,未来或将持续处于高速增长期。


全球范围来看,碳纤维下游应用较为分散,各产业应用蓬勃发展,风电叶片、航空航天、体育及汽车为主要应用领域。



按用量计,风电叶片近年来快速发展,现已成为碳纤维消费市场,2020 年需求量 3.06 万吨占比 29%,航空航天、体育休闲及汽车分别占比 15%、14%和 12%。


值得关注的是,若以金额计,航空航天产业以 9.87 亿美元,占比高达 38%,体现出航空航天领域碳纤维产品的高产值,而风电叶片虽用量大,但其使用的碳纤维是低成本的大丝束产品,因此金额计占比仅约 16%。


根据赛奥碳纤维数据,我国碳纤维需求从 2008 年的 0.8 万吨增长至 2020 年的 4.9 万吨,期间 CAGR 高达 16%,明显高于同期全球增速。


此外,我国碳纤维需求总量全球占比也在不断提高,2020 年达到 45.7%,较 2008 年提升近 23 个 PCT。


预计到 2025 年,我国碳纤维需求量将达 15 万吨,5 年 CAGR 达 25%。


相较于全球碳纤维需求分布领域的多点开花,我国碳纤维需求分布集中于中低端领域,风电叶片与体育休闲合计占比达 71%,当前民用需求领域具备更强的成长性,而航空航天、汽车、电子电气等高端领域需求合计占比不足 10%,结构性差异明显。


未来伴随我国碳纤维产品国产化率以及产业链供应能力的进一步提升,碳纤维需求结构将逐步向全球范围更成熟且附加值更高的消费结构靠拢,相关高端产业领域蕴含转型发展机遇,未来航空航天、风电叶片、汽车等领域有望成为国内较大的需求增长点。


文章来源:复合材料前沿,天山网,远瞻智库

本文网址:http://www.qhdzc.net/news/444.html

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