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行业分析

谁将是“新材料之王”?碳纤维和石墨烯的对比分析
来源:中国建材报  2016-12-02 09:19:27
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=4073       几年前,一个非常重要的行业正遭遇生存危机:一边是国际行业巨头蓄意打压,一边是产业化进程受阻。完全靠自主研发的我国碳纤维产业发展处于不进则退、内忧外患、生死攸关的关键时刻。


       重要在何处,从其应用领域就能一目了然:美国B1、B2、F22、F117等隐型战机大量使用碳纤维材料;战略导弹、神舟飞船、国产新一代战斗机上,碳纤维更是不可或缺的关键材料。
       碳纤维是国民经济和国防建设中不可缺失的战略性新材料,我国碳纤维行业经过长期自主研发,打破了国外技术装备封锁,产业化取得初步成果。但目前全行业存在技术创新能力弱、工艺装备不完善、产品性能不稳定、生产成本高、低水平重复建设、高端品种产业化水平低、下游应用开发严重不足等突出问题。若不能尽快突破瓶颈,我国碳纤维产业极可能在国际碳纤维巨头的凌厉攻势下溃不成军。

       然而,这一切在2016年被终结了。3月6日,黑龙江省重大科技攻关项目“T700级碳纤维中试生产线及工艺研究”通过国家有关专家组鉴定,这条以原始创新为核心的生产线具有完全自主知识产权。
       从概念引进到技术引进,再到国产化尝试,最后突破壁垒逐步代替进口……细看之下碳纤维走过的道路与当前风头正盛的石墨烯如此相似。两大材料初出茅庐之时就都被加冕为“新材料之王”,而两大材料的特性又极为近似,未来关于这两大材料间的大战似乎不可避免,那么究竟谁才是新材料之王?

       来源:本是“同根生”

       其实,碳纤维与石墨烯颇有渊源,就连出场的“噱头”都极为相似。

       “既坚如磐石,又韧如发丝,它是自古以来人类在材料领域孜孜以求的品质。一卷卷如布匹般的黑色编织物如同从新材料中一跃而起的‘黑马’,碳纤维不仅兼顾柔中带刚的特性,还具有不怕强酸腐蚀、耐超高温、具有导电导热性和电磁屏蔽性等诸多闪光点”这是媒体对碳纤维的描述。而对于新一代材料石墨烯,媒体也毫不吝啬溢美之词,称其“生而不凡”,是目前发现的最薄、最坚硬、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。

       除了炒作的噱头外,碳纤维与石墨烯源于“同根”。简单来讲,碳纤维和石墨稀互为同素异形体,两者是都由碳原子构成的单质,但碳原子的排列方式不同。

       碳纤维,顾名思义,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。碳纤维的微观结构使其具有许多优良性能,在保持密度低的前提下,获得很大的轴向强度和杨氏模量。同时,碳纤维具有很好的耐超高温性、耐疲劳性和耐腐蚀性,以及良好的导电导热性能。这些优良的特性,是保证其在各领域中得到应用的前提。有学者在1981年将PAN基碳纤维浸泡在强碱NaOH溶液中,时间已过去30多年,它至今仍保持纤维形态。

       石墨烯是一种二维晶体,最大的特性是其电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子,或更准确地,应称为“载荷子”(electricchargecarrier)的性质和尽对论性的中微子非常相似。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

       相对于石墨烯,碳纤维的研究和使用有很长的历史,在市场应用方面也相对成熟,但其加工方式、结构、性能有很大的局限性。石墨烯自2004年被发现以来,由于其极强的易用性和可拓展性,在全球备受关注,被誉为21世纪的黑金。在纺织物的应用领域,二者各有千秋。曼彻斯特大学石墨烯研究员宋亚斌先生表示,在制备工艺方面,石墨烯取材于石墨矿产,通过其独特的湿法纺丝技术等形成连续生产的工艺,相对于碳纤维可以更高效的用于纺织工业。

       成长:“前后相随”的怪圈

       大到航天飞机,小到高端腕表,碳纤维与石墨烯从出生开始就在各个领域创造叹为观止的“奇迹”。这也造就了两种材料相同的成长路径。

       中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代,80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢,但也取得了一定成绩。21世纪以来发展较快,安徽率先引进了500吨每年原丝、200吨每年PAN基碳纤维,使中国碳纤维工业进入了产业化。随后一些地方相继加入碳纤维生产行列。

       从2000年开始中国碳纤维向技术多元化发展,放弃了原来的硝酸法原丝制造技术,采用以二甲基亚砜为溶剂的一步法湿法纺丝技术并获得成功。利用自主技术研制的少数国产T700碳纤维产品已经达到国际同类产品水平。随着中国对碳纤维的需求量日益增长,碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持对象。2005年全球碳纤维市场仅为9亿美元,而2013年达到100亿美元,预计到2022年有望达到400亿美元,碳纤维复合材料的应用也将进入全新的时代。中国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路,到“十一五”末期基本实现了相当于日本T300的国产碳纤维规模生产线,并且有一些企业已形成了T700以上水平的百吨生产线。

       然而,受供应不足的影响,国内碳纤维市场发展相对较为缓慢。近几年,随着供应量的提升,中国碳纤维行业的需求量也将保持着较快速度的增长。

       即便是目前国内部分研发机构、大型企业集团已经开始逐步掌握了高端碳纤维的制备工艺,但技术普及需要很长的时间,现阶段整体技术的落后导致中国碳纤维产品质量与进口产品之间差距明显,这也极大地限制了国产碳纤维产品在高端领域的应用。有数据显示,中国碳纤维产品在应用上集中于低端领域,在碳纤维质量要求较高的航空航天领域的应用比例仅为3%,远远没达到国际上碳纤维行业在航空航天领域应用占比的平均水平;而在质量要求相对较低的运动休闲用品领域,碳纤维的应用比例却高达80%左右,国内碳纤维在运动休闲用品领域应用超出国际平均水平四倍多。

相对于碳纤维,中国石墨烯近年来经过了阶段性的“疯狂生长”后,正面临着第一场生死考验。

       由于石墨烯极有可能掀起一场席卷全球的新技术新产业革命。近三年里,中国政府陆续出台了多项支持政策,而资本市场更是推波助澜,将石墨烯推上了一个个新的高潮。但业内人士纷纷表示了他们的担忧:如今石墨烯应用产品低端化、同质化、以及过度炒作等问题日益严重,行业第一轮“大洗牌”已经隐现,未来三年内,至少半数以上企业可能将被淘汰出局。

       应用:“一时瑜亮”谁能称王?

       汉晋时期,巴丘湖(今洞庭湖)畔,东吴四英之首周瑜,弹罢长河吟,高呼“既生瑜何生亮”便撒手人寰,后称才能相匹敌者为“瑜亮”。这无意中道出了碳纤维与石墨烯的关系。

       以两大材料相对集中的智能服装产业为例。随着众多智能穿戴设备市场的快速发展,近两年来,智能服装逐步开始走入大众生活,智能服装顺理成章的成为很多传统服装企业发力点,一大批具有前瞻性的传统服装制造企业、创新型科技公司纷纷联合高校、研发机构等对智能服装投入了大量研究。

       区别于传统服装,智能服装实属一个跨界的产品,需要结合科技、电子、通信、互联网、医学、材料学、纺织工艺、服装设计、服装制造等多个行业技术。这其中,新材料的研发与应用无疑是推动智能服装产业发展的关键环节。在新材料方面,由于加热理疗的广大市场需求,以石墨烯和碳纤维引领的含有加热理疗功能的智能服装成为众多服装企业和科技类企业主攻的破局点。

       针对于目前智能服装市场使用最为广泛的两种加热理疗类新材料,记者走访了众多专家和研究院,对石墨烯和碳纤维进行了详细的对比。

       相对于石墨烯,碳纤维的研究和使用有很长的历史,在市场应用方面也相对成熟,但其加工方式、结构、性能有很大的局限性。石墨烯自2004年被发现以来,由于其极强的易用性和可拓展性,在全球备受关注,被誉为21世纪的黑金。在纺织物的应用领域,二者各有千秋。据曼彻斯特大学石墨烯研究员宋亚斌先生表示,在制备工艺方面,石墨烯取材于石墨矿产,通过其独特的湿法纺丝技术等形成连续生产的工艺,相对于碳纤维可以更高效的用于纺织工业。

       其次,在结构性能方面,碳纤维由片状的石墨微晶不规则地堆砌而成,这种结构对于孔隙率的控制极为严格,导致碳纤维的力学性能下降,且该结构造成碳纤维在径向的韧性较差,很容易在弯折时发生断裂;而石墨烯纤维中石墨烯片层结构在纤维轴向上高度取向,且横向晶体的尺寸远远大于传统碳纤维的横向晶体尺寸,使其具有很好的柔韧性,甚至可以在扭曲打结的状态下不断裂,这使得石墨烯纤维在高端纺织工业有着巨大的优势。

       在新材料领域,碳纤维的最大的特点是“贵“,石墨烯的特点则是“更贵”。总体来说石墨烯在纺织物应用方面具备很大的优势,但在价格方面要比碳纤维材料高出不少,可以说,石墨烯纤维的横空出世为改善碳纤维应用中存在的问题带来了希望。据了解,2015年11月东华大学发现可在光热刺激下“编辑”石墨烯形态,受控生产形态改变,使得石墨烯在智能可穿戴领域存在多种应用可能性。有很多中国服装品牌已经在石墨烯轻应用方面投入重金,以更快速地将研发成果投入产业化应用。石墨烯材料的研究与应用将瓦解现有产品而引领新技术的发展,而随着柔性显示技术推进,其优质的特性在高端纺织工业和智能穿戴领域有着巨大的应用前景;最重要的是,石墨烯具有更优异的强度和更强大的电学、热学性能,可在轻量级的电导体、织物超级电容器、智能生物传感器以及智能加热服等领域发挥作用。

       宇航及工业发展拉动碳纤维投资热潮。碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维下游领域主要对应工业、消费品及宇航领域,需求占比分别为65%、20%和15%。随着宇航领域及工业领域中的需求急剧增长,韩国、中国、印度等国家战略性支持性政策引起碳纤维开发及投资热。

       美国和日本长期占据碳纤维技术高点,国内碳纤维制备较为落后。就全球碳纤维产能来看,前五大碳纤维企业的市场占有率在60%以上,日本东丽产能占比18%,其主打产品是PAN基碳纤维及其预浸料等编织材料、复合材料;分国家来看,日企在小丝束碳纤维的市场份额达到49%,日美两国在大丝束碳纤维上的市场份额可达到76%。国内在碳纤维制备上仍然落后,仅有T300级碳纤维达到国外同类产品水平,T700、T800以及M50J仅分别初在工业化生产、批量生产及突破关键研制技术的阶段,但也出现了产能结构性过剩,高端碳纤维具备技术壁垒的问题。

       有人说,石墨烯与碳纤维将来必有一战,这场大战将出现在众多领域中以及未来的市场竞争中。碳纤维对于中国新材料市场来说,一切都是以产业化和应用前提的,只有到了这个阶段,人们才会真正的认识碳纤维,正视碳纤维与石墨烯之间的博弈,那也将是一段“惊心动魄”的故事。 文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=4073