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碳纤维:从发现到应用的百年发展史

时间: 2024-08-15 23:26:17 |   作者: 华体育app官方网站

  众所周知,碳纤维综合性能优异,享有“黑色黄金”的美誉,现已被大量应用于高端民用领域。回顾碳纤维的发展史,其最早可以追溯到19世纪,用作白炽灯的灯丝使用。但受限于技术问题,碳纤维并未迎来加快速度进行发展,直至20世纪50年代,工业的进步为碳纤维的发展奠定了坚实基础,形成了以日、美、英为代表的碳纤维研发中心。随后,不一样的碳纤维被逐一研制出来,以适配航空航天、体育休闲、风电叶片等各种场景。

  19世纪六七十年代,斯万首先以棉纱为原材料制备出碳纤维,并申请了白炽灯专利。随后爱迪生在此基础上进行改良,并取得了碳纤维长丝制备发明专利。这是碳纤维第一次作为商业化应用。但在这之后,碳纤维却经历了长达50年的发展停滞期,由于技术缺失,碳纤维的性能及质量稳定性较差,应用端没有扩展。

  1950年开始,工业技术的进步极大促进了碳纤维的发展。碳纤维首先应用在军工领域,如美国空军基地以黏胶纤维为原材料,制备出用于火箭尾喷管的高性能碳纤维。1959年,日本大阪工业试验所近藤昭男以PAN为原料成功制备了碳纤维,这是碳纤维发展史上的重要里程碑事件。20世纪60年代,碳纤维形成了以日、英、美三国为主导的研发技术阶段。日本代表性企业包括大阪工业试验所、东海碳素、日本东丽、日本东邦等。1963年,英国皇家航空研究中心通过在热处理过程中施加张力,进一步提升了PAN基碳纤维的力学性能。美国则在粘胶基碳纤维上花费了大量时间。

  20世纪70年代后,碳纤维公司开始寻求合作和技术互换。1970年,日本东丽与美国联合碳化物公司合作生产T300级碳纤维;1972年,美国赫拉克勒斯获得英国皇家航空研究所碳化技术;同年,日美分别用碳纤维制造出高尔夫球杆与钓鱼竿。随技术工艺的不断累积和更新,碳纤维的工业化脚步越发稳健。1973年,日本东邦人造丝公司的高性能聚丙烯腈基碳纤维开始规模化生产;1975年,美国联合碳化物公司对中间相沥青碳纤维的研究取得进展,并实现商品化;80年代,日本东丽基本完成了绝大部分碳纤维产品型号,包括初期T300,中期T800、T1000,末期M60J等;1990年,日本东丽正式成为波音公司777飞机主承力结构碳纤维供应商。该时期,碳纤维企业还热衷于通过并购抢占市场。如美国赫氏并购了美国赫拉克勒斯的碳纤维产业;德国西格里在1997年收购英国考陶尔兹留下的RK carbon。1997年,日本东丽在美国成立CFA公司(现CMA公司),自此东丽成为跨越日本、欧洲、美洲的全球运营体制。

  踏入21世纪,碳纤维已经应用在航空航天、风电叶片、汽车工业等领域。2007年卓尔泰克与风电巨头维斯塔斯建立合作,碳纤维用于风电。与此同时,中国、韩国、俄罗斯、中国台湾等许多国家和地区都开启了碳纤维研发和投资的热潮。

  近年来,随着各国对于碳中和、碳达峰的重视程度逐步的提升,碳纤维在新能源领域的应用高速扩展。同时,飞行汽车、机器人等新兴行业的兴起也将促使碳纤维迎来新增长极。

  我国的碳纤维研究始于上世纪60年代,1962年中国科学院长春应化所成立“聚丙烯腈基碳纤维的研制”课题组,开展基础研究,李仍元先生任课题组组长。1975年开始,国家投入约2600多万元用于碳纤维原丝及其制品的研发,但受限于技术问题,国产碳纤维质量稳定性不佳,且仅涉及军工领域。20世纪80年代,国家主张引进,当时日、美等发达国家实行了严格的技术封锁,经过多次尝试,我国从英国RK公司引进预氧化炉和碳化炉等设备,但试车屡屡失败,中国的碳纤维发展陷入困境。

  进入21世纪,师昌绪院士重振了中国碳纤维行业,师院士成立PAN基碳纤维开发课题组,进行碳纤维的技术攻关和课题研究。2005年,我国将碳纤维技术探讨研究列为重大基础研究项目,中国从此进入建设碳纤维的热潮,光威复材、中复神鹰、江苏恒神、吉林碳谷等众多企业纷纷入局,同时北京化工大学、山东大学、东华大学、中科院山西煤化所等一批科技机构也进入了碳纤维的工艺探索,碳纤维的应用从国防扩展到民用领域。

  2010年后,国内碳纤维行业开始了激烈竞争,“优胜劣汰”显现,倒逼着行业的进步,部分企业被淘汰,另一部分则不间断地积累经验,提升核心竞争力。

  目前,中国碳纤维产量已达到世界第一,中国也是碳纤维需求最大的国家之一。但是,我国从碳纤维生产的基本工艺、设备和产品性能等方面仍存在“质”的差距,高端碳纤维产品仍依赖进口,如何从“碳纤维大国”走向“碳纤维强国”,责任重大、道路漫长。近年来,随着双碳政策的落实,碳纤维在新能源上的应用火热。未来,碳纤维及其复合材料必将遵循绿色低碳、循环回收的发展模式进行。

  比较世界和中国碳纤维的发展史,中国碳纤维进程并不顺利,似乎总是慢世界一拍。特别是2000年后,“急功近利”的不良心态致使中国的碳纤维工业化发展缺少坚实的技术基础。我们应该吸取这次的教训,重点攻克碳纤维工艺方面的“卡脖子”难题,尽最大努力融入世界碳纤维生态圈。

  第八届国际碳材料大会暨产业展览会(Carbontech 2024)将于12月5-7日在上海新国际博览中心W1、W2、W3馆盛大举行,本届展会预计展出面积40,000m2,汇集超800家全球碳材料产业链上下游厂家。同期举办主题论坛9场,闭门研讨会1场,吸引来自金刚石、超精密加工、石墨烯、碳纳米材料、碳纤维及其复合材料、碳碳复合材料、新能源碳材料等领域超50,000国内外采购商莅临现场,为全球买家打造一个专业、创新、交流的全产业链合作盛宴。

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