在2019年12月初，工信部印發(fā)的《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》中，首次將中間相瀝青基碳纖維加入到關(guān)鍵戰(zhàn)略材料中。


為什么國(guó)家會(huì)如此重視中間相瀝青基碳纖維的發(fā)展呢？


瀝青基碳纖維的發(fā)展歷史


1963年，日本大谷杉郎發(fā)現(xiàn)聚氯乙烯熱解瀝青、木質(zhì)素瀝青和煤焦油瀝青等經(jīng)過(guò)紡絲、不熔化、碳化處理都可制成碳纖維；


1970年，日本吳羽化學(xué)工藝公司在大谷杉郎工作的基礎(chǔ)上建成10 t/月規(guī)模的通用級(jí)瀝青基碳纖維短絲的生產(chǎn)裝置；


1976年，1976年美國(guó)聯(lián)合碳化物公司制得高性能瀝青基碳纖維，建成了240 t/a規(guī)模的生產(chǎn)裝置。然而，鑒于其技術(shù)難度大，其后基本沒(méi)有企業(yè)參與開發(fā)，直到1985年日本在這方面的研究工作取得新的突破性進(jìn)展后，才在鋼鐵、石油、煤炭、化纖等行業(yè)重新掀起試生產(chǎn)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(biāo)志著瀝青基碳纖維已處于向工業(yè)化過(guò)渡的新階段。



中間相瀝青基碳纖維性能優(yōu)勢(shì)


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(chǎn)步驟包括調(diào)制可紡中間相瀝青、瀝青紡絲、預(yù)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(wú)法媲美的?？捎糜诤教祜w行器、大型飛機(jī)、機(jī)器人手臂、風(fēng)電葉片、壓力容器、工業(yè)輥軸、建筑補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域等。


2. 高導(dǎo)熱：中間相瀝青基碳纖維可以具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，能有效解決火箭噴嘴、飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、剎車系統(tǒng)、高密度集成電路、電車頂部集電器、工業(yè)換熱器等部件的熱轉(zhuǎn)移問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效的熱管理。


3. 低膨脹系數(shù)：中間相瀝青基碳纖維熱膨脹系數(shù)趨近負(fù)數(shù)，能夠保證相關(guān)部件在高溫或溫度變化頻繁的苛刻環(huán)境中正常工作而本身形態(tài)及性能不發(fā)生改變。


中間相瀝青生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)


去年12月3日，克拉瑪依市先進(jìn)能源技術(shù)創(chuàng)新有限公司（以下簡(jiǎn)稱先能科創(chuàng)）宣布：利用乙烯裂解焦油懸浮床液相加氫全轉(zhuǎn)化技術(shù)副產(chǎn)的高芳烴蠟油餾分作為原料，成功制備出高品質(zhì)中間相瀝青，經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，中間相瀝青含量超過(guò)90%。


劉宏博介紹說(shuō)：“一根含碳量95%以上的碳纖維，只有頭發(fā)絲1/10那么粗，強(qiáng)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(guó)防、軍工等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，受美國(guó)、日本技術(shù)壟斷，中國(guó)很難進(jìn)口到高品質(zhì)瀝青基碳纖維材料。”


為突破國(guó)外技術(shù)封鎖，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)進(jìn)行了大量研發(fā)，但目前鮮有規(guī)?；a(chǎn)企業(yè)。目前國(guó)內(nèi)主流的是聚丙烯腈基碳纖維，約占全部市場(chǎng)的90%，而瀝青基碳纖維的基礎(chǔ)原料來(lái)自于煉化企業(yè)的副產(chǎn)物——催化油漿、裂解焦油、煤焦油瀝青等，因規(guī)模問(wèn)題，所獲原料的品質(zhì)很不穩(wěn)定。


“我們的原材料是從中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化分公司獲得，公司在煉油過(guò)程中所產(chǎn)生的乙烯裂解焦油，收集這個(gè)渣油，利用懸浮床液相加氫技術(shù)全轉(zhuǎn)化后，取產(chǎn)品中芳烴含量高達(dá)100%的蠟油餾分，制備獲得的中間瀝青質(zhì)量穩(wěn)定。”劉宏博說(shuō)。


先能科創(chuàng)計(jì)劃2022年對(duì)該技術(shù)進(jìn)行中試放大，開展50噸/年中間相瀝青中試裝置建設(shè)工作，同時(shí)積極申報(bào)各級(jí)科研項(xiàng)目，爭(zhēng)取更多科研資金支持。



先能科創(chuàng)總經(jīng)理潘磊認(rèn)為，新疆具有發(fā)展碳纖維材料的先決優(yōu)勢(shì)，煤化工和石油化工生產(chǎn)中副產(chǎn)的焦油、催化油漿等，是制備碳材料的優(yōu)質(zhì)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(zhì)、高價(jià)值的碳材料，對(duì)煤化工、石油化工產(chǎn)品的分質(zhì)分階利用，延伸產(chǎn)業(yè)鏈有著重要意義。


碳纖維本身具備低比重、高強(qiáng)度的優(yōu)異屬性，與其他材料復(fù)合制成的碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)輕量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等特點(diǎn)，因此在誕生之初便作為戰(zhàn)略性物資應(yīng)用于國(guó)防、航空航天等軍用行業(yè)。


之后隨著商業(yè)化的順利推進(jìn)及成本的不斷降低，碳纖維優(yōu)異屬性被廣泛認(rèn)知，應(yīng)用范圍持續(xù)拓寬，并逐步在民用領(lǐng)域大放光彩，成為軍民兩用的優(yōu)異新材料品種。


全球碳纖維需求持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)結(jié)構(gòu)性差異蘊(yùn)含機(jī)遇


全球碳纖維需求量穩(wěn)步增長(zhǎng)，未來(lái)仍將處于高速增長(zhǎng)期。


我國(guó)碳纖維行業(yè)目前已逐漸步入快速發(fā)展期，相關(guān)能源產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯，在“雙碳”政策目標(biāo)指引下，風(fēng)電、光伏、氫能等產(chǎn)業(yè)有望迎來(lái)加速發(fā)展，碳纖維市場(chǎng)空間廣闊。


過(guò)去 10 余年間，隨著碳纖維下游應(yīng)用滲透率的提升，全球碳纖維需求量穩(wěn)步增長(zhǎng)，2019 年全球碳纖維需求量首次突破 10 萬(wàn)噸，相較 2008 年 CAGR 達(dá) 10%。


2020 年受疫情影響下游航空業(yè)受損明顯，但其他產(chǎn)業(yè)需求旺盛，全年需求量仍較 19 年同比提升 3%達(dá)到 10.7 萬(wàn)噸，據(jù)賽奧碳纖維技術(shù)預(yù)測(cè)，2025 年全球碳纖維需求量有望達(dá)到 20 萬(wàn)噸，5 年 CAGR 將達(dá) 13.3%，未來(lái)或?qū)⒊掷m(xù)處于高速增長(zhǎng)期。


全球范圍來(lái)看，碳纖維下游應(yīng)用較為分散，各產(chǎn)業(yè)應(yīng)用蓬勃發(fā)展，風(fēng)電葉片、航空航天、體育及汽車為主要應(yīng)用領(lǐng)域。



按用量計(jì)，風(fēng)電葉片近年來(lái)快速發(fā)展，現(xiàn)已成為碳纖維消費(fèi)市場(chǎng)，2020 年需求量 3.06 萬(wàn)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(guān)注的是，若以金額計(jì)，航空航天產(chǎn)業(yè)以 9.87 億美元，占比高達(dá) 38%，體現(xiàn)出航空航天領(lǐng)域碳纖維產(chǎn)品的高產(chǎn)值，而風(fēng)電葉片雖用量大，但其使用的碳纖維是低成本的大絲束產(chǎn)品，因此金額計(jì)占比僅約 16%。


根據(jù)賽奧碳纖維數(shù)據(jù)，我國(guó)碳纖維需求從 2008 年的 0.8 萬(wàn)噸增長(zhǎng)至 2020 年的 4.9 萬(wàn)噸，期間 CAGR 高達(dá) 16%，明顯高于同期全球增速。


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


預(yù)計(jì)到 2025 年，我國(guó)碳纖維需求量將達(dá) 15 萬(wàn)噸，5 年 CAGR 達(dá) 25%。


相較于全球碳纖維需求分布領(lǐng)域的多點(diǎn)開花，我國(guó)碳纖維需求分布集中于中低端領(lǐng)域，風(fēng)電葉片與體育休閑合計(jì)占比達(dá) 71%，當(dāng)前民用需求領(lǐng)域具備更強(qiáng)的成長(zhǎng)性，而航空航天、汽車、電子電氣等高端領(lǐng)域需求合計(jì)占比不足 10%，結(jié)構(gòu)性差異明顯。


未來(lái)伴隨我國(guó)碳纖維產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率以及產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)能力的進(jìn)一步提升，碳纖維需求結(jié)構(gòu)將逐步向全球范圍更成熟且附加值更高的消費(fèi)結(jié)構(gòu)靠攏，相關(guān)高端產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域蘊(yùn)含轉(zhuǎn)型發(fā)展機(jī)遇，未來(lái)航空航天、風(fēng)電葉片、汽車等領(lǐng)域有望成為國(guó)內(nèi)較大的需求增長(zhǎng)點(diǎn)。


文章來(lái)源：復(fù)合材料前沿，天山網(wǎng)，遠(yuǎn)瞻智庫(kù)