在2019年12月初，工信部印發的《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2019年版）》中，首次將中間相瀝青基碳纖維加入到關鍵戰略材料中。


為什么國家會如此重視中間相瀝青基碳纖維的發展呢？


瀝青基碳纖維的發展歷史


1963年，日本大谷杉郎發現聚氯乙烯熱解瀝青、木質素瀝青和煤焦油瀝青等經過紡絲、不熔化、碳化處理都可制成碳纖維；


1970年，日本吳羽化學工藝公司在大谷杉郎工作的基礎上建成10 t/月規模的通用級瀝青基碳纖維短絲的生產裝置；


1976年，1976年美國聯合碳化物公司制得高性能瀝青基碳纖維，建成了240 t/a規模的生產裝置。然而，鑒于其技術難度大，其后基本沒有企業參與開發，直到1985年日本在這方面的研究工作取得新的突破性進展后，才在鋼鐵、石油、煤炭、化纖等行業重新掀起試生產的熱潮。


1987年9月，日本三菱化成建成500 t/a的高性能瀝青基碳纖維的裝置，標志著瀝青基碳纖維已處于向工業化過渡的新階段。



中間相瀝青基碳纖維性能優勢


中間相瀝青基碳纖維是一種高模量高性能碳纖維。以煤焦油瀝青、石油瀝青等為原料，生產步驟包括調制可紡中間相瀝青、瀝青紡絲、預氧化、碳化及石墨化四大步驟。


1. 高模量：中間相瀝青基碳纖維具有極高的彈性模量，是其他材料無法媲美的?？捎糜诤教祜w行器、大型飛機、機器人手臂、風電葉片、壓力容器、工業輥軸、建筑補強領域等。


2. 高導熱：中間相瀝青基碳纖維可以具有極高的導熱系數，能有效解決火箭噴嘴、飛行器發動機殼體、剎車系統、高密度集成電路、電車頂部集電器、工業換熱器等部件的熱轉移問題，實現高效的熱管理。


3. 低膨脹系數：中間相瀝青基碳纖維熱膨脹系數趨近負數，能夠保證相關部件在高溫或溫度變化頻繁的苛刻環境中正常工作而本身形態及性能不發生改變。


中間相瀝青生產技術實現國產


去年12月3日，克拉瑪依市先進能源技術創新有限公司（以下簡稱先能科創）宣布：利用乙烯裂解焦油懸浮床液相加氫全轉化技術副產的高芳烴蠟油餾分作為原料，成功制備出高品質中間相瀝青，經專業機構檢測，中間相瀝青含量超過90%。


劉宏博介紹說：“一根含碳量95%以上的碳纖維，只有頭發絲1/10那么粗，強度卻是鋼的9倍，重量還不到鋼的1/4。碳纖維可用在體育、汽車、航空、國防、軍工等多個行業和領域，受美國、日本技術壟斷，中國很難進口到高品質瀝青基碳纖維材料?！?/span>


為突破國外技術封鎖，近些年來國內科研機構和企業進行了大量研發，但目前鮮有規?；a企業。目前國內主流的是聚丙烯腈基碳纖維，約占全部市場的90%，而瀝青基碳纖維的基礎原料來自于煉化企業的副產物——催化油漿、裂解焦油、煤焦油瀝青等，因規模問題，所獲原料的品質很不穩定。


“我們的原材料是從中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化分公司獲得，公司在煉油過程中所產生的乙烯裂解焦油，收集這個渣油，利用懸浮床液相加氫技術全轉化后，取產品中芳烴含量高達100%的蠟油餾分，制備獲得的中間瀝青質量穩定?！眲⒑瓴┱f。


先能科創計劃2022年對該技術進行中試放大，開展50噸/年中間相瀝青中試裝置建設工作，同時積極申報各級科研項目，爭取更多科研資金支持。



先能科創總經理潘磊認為，新疆具有發展碳纖維材料的先決優勢，煤化工和石油化工生產中副產的焦油、催化油漿等，是制備碳材料的優質原料，若能夠利用煤焦油、石油瀝青中的有效組分制備高品質、高價值的碳材料，對煤化工、石油化工產品的分質分階利用，延伸產業鏈有著重要意義。


碳纖維本身具備低比重、高強度的優異屬性，與其他材料復合制成的碳纖維復合材料具有高強輕量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等特點，因此在誕生之初便作為戰略性物資應用于國防、航空航天等軍用行業。


之后隨著商業化的順利推進及成本的不斷降低，碳纖維優異屬性被廣泛認知，應用范圍持續拓寬，并逐步在民用領域大放光彩，成為軍民兩用的優異新材料品種。


全球碳纖維需求持續增長，我國結構性差異蘊含機遇


全球碳纖維需求量穩步增長，未來仍將處于高速增長期。


我國碳纖維行業目前已逐漸步入快速發展期，相關能源產業競爭優勢明顯，在“雙碳”政策目標指引下，風電、光伏、氫能等產業有望迎來加速發展，碳纖維市場空間廣闊。


過去 10 余年間，隨著碳纖維下游應用滲透率的提升，全球碳纖維需求量穩步增長，2019 年全球碳纖維需求量首次突破 10 萬噸，相較 2008 年 CAGR 達 10%。


2020 年受疫情影響下游航空業受損明顯，但其他產業需求旺盛，全年需求量仍較 19 年同比提升 3%達到 10.7 萬噸，據賽奧碳纖維技術預測，2025 年全球碳纖維需求量有望達到 20 萬噸，5 年 CAGR 將達 13.3%，未來或將持續處于高速增長期。


全球范圍來看，碳纖維下游應用較為分散，各產業應用蓬勃發展，風電葉片、航空航天、體育及汽車為主要應用領域。



按用量計，風電葉片近年來快速發展，現已成為碳纖維消費市場，2020 年需求量 3.06 萬噸占比 29%，航空航天、體育休閑及汽車分別占比 15%、14%和 12%。


值得關注的是，若以金額計，航空航天產業以 9.87 億美元，占比高達 38%，體現出航空航天領域碳纖維產品的高產值，而風電葉片雖用量大，但其使用的碳纖維是低成本的大絲束產品，因此金額計占比僅約 16%。


根據賽奧碳纖維數據，我國碳纖維需求從 2008 年的 0.8 萬噸增長至 2020 年的 4.9 萬噸，期間 CAGR 高達 16%，明顯高于同期全球增速。


此外，我國碳纖維需求總量全球占比也在不斷提高，2020 年達到 45.7%，較 2008 年提升近 23 個 PCT。


預計到 2025 年，我國碳纖維需求量將達 15 萬噸，5 年 CAGR 達 25%。


相較于全球碳纖維需求分布領域的多點開花，我國碳纖維需求分布集中于中低端領域，風電葉片與體育休閑合計占比達 71%，當前民用需求領域具備更強的成長性，而航空航天、汽車、電子電氣等高端領域需求合計占比不足 10%，結構性差異明顯。


未來伴隨我國碳纖維產品國產化率以及產業鏈供應能力的進一步提升，碳纖維需求結構將逐步向全球范圍更成熟且附加值更高的消費結構靠攏，相關高端產業領域蘊含轉型發展機遇，未來航空航天、風電葉片、汽車等領域有望成為國內較大的需求增長點。


文章來源：復合材料前沿，天山網，遠瞻智庫