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碳纖維歷經(jīng)兩次發(fā)展浪潮，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院    2024-10-18

碳纖維發(fā)展起源于 20 世紀(jì) 50-60 年代，美國、日本、英國等最早開發(fā)碳纖維生產(chǎn)工藝。1958 年，美國聯(lián)合碳化物公司的 Roger Bacon 在氬氣中加熱人造絲，意外地生產(chǎn)出了碳纖維，從此，碳纖維材料的潛力逐漸得到認(rèn)識。1960 年，H.I. Thompson 纖維玻璃公司（美國）的 Richard Millington 開發(fā)了將人造絲纖維中含碳量提高到 99wt%的方法。

20 世紀(jì) 60 年代，日本和英國公司領(lǐng)導(dǎo)了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維生產(chǎn)的實驗室技術(shù)開發(fā)。1959 年，日本大阪工程技術(shù)研究所的 Akio Shindo 成功使用低成本方法生產(chǎn)了碳含量約 55wt%的碳纖維；日本東麗工業(yè)于 1964 年試驗生產(chǎn) PAN 碳纖維，并于 1970 年與大阪工程技術(shù)研究所簽訂了 PAN 工藝的許可協(xié)議。英國皇家飛機公司的 W. Watt、L. N. Phillips 和 W.Johnson 于 1963 年為使用 PAN 纖維的碳纖維制造工藝申請了專利；隨后，英國國家研究發(fā)展公司向 Rolls Royce、Morganite 和 Courtaulds 授予了該工藝許可。碳纖維復(fù)合材料工業(yè)開端于 20 世紀(jì) 70-80 年代。

碳纖維制造工藝發(fā)展過程中，美國、英國和日本進(jìn)行了密切的合作。1970 年，東麗與美國聯(lián)合碳化物公司簽署合作協(xié)議，獲得美國聯(lián)合碳化物公司的碳化技術(shù)，美國聯(lián)合碳化物公司則代理東麗的碳纖維產(chǎn)品。1971 年，東麗公司建立了 12 噸碳纖維生產(chǎn)線，并開始生產(chǎn) T300 碳纖維，并且在 1972 年推出了第一個商業(yè)碳纖維復(fù)材產(chǎn)品——魚竿。

1973 年石油危機使得飛機迫切需要減少機身重量以減少燃料消耗，隨后，波音、空客等飛機制造商開始探索碳纖維復(fù)材的應(yīng)用。1982 年，波音 757、波音 767 和航天飛機開始使用 T300 碳纖維。CFRP 進(jìn)入了航空航天結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，包括軍用和民用飛機。

20 世紀(jì) 80 年代，憑借 1000 噸/年的單線生產(chǎn)能力，東麗已基本實現(xiàn)其現(xiàn)有產(chǎn)品系列的大部分，即初期的 T300、中期的 T800 和 T1000 以及后期的 M60J。隨著碳纖維復(fù)材在飛機部件中的廣泛應(yīng)用，到 1988 年東麗碳纖維累計產(chǎn)量已超過 1 萬噸。

碳纖維復(fù)材歷經(jīng)兩次需求浪潮，第一次由航空航天領(lǐng)域帶動。碳纖維復(fù)合材料的第一次應(yīng)用浪潮出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 90 年代至 00 年代，民航飛機制造商成功并逐步使用更多的碳纖維復(fù)合材料制造飛機機身，從而滿足航空公司對降低燃油消耗、降低 CO2排放和降低維護(hù)成本、延長設(shè)計壽命、通過零件集成降低工具和裝配成本的要求。1990 年，東麗的 CFRP 預(yù)浸料被波音公司用于波音 777 的主要機身結(jié)構(gòu)。2003 年，波音公司啟動波音 787 項目，在機身和主要結(jié)構(gòu)中大量使用CFRP（50wt%）；2005 年，空客公司推出了 A350 XWB 項目，也大量使用 CFRP（53wt%）。

碳纖維復(fù)材的第二次需求浪潮由非航空航天工業(yè)領(lǐng)域帶動。21 世紀(jì) 10 年代以來，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用從航空航天向非航空航天工業(yè)用途急劇擴展，并以大批量、低成本為特點。2007 年，Zoltek 與風(fēng)力機 OEM 廠商維斯塔斯合作，在風(fēng)機葉片中使用碳纖維。與玻璃纖維復(fù)合材料制成的葉片相比，在 60 米長葉片中采用碳纖維復(fù)合材料預(yù)計可減重 38%，成本降低 14%，并延長葉片壽命。2014年，東麗收購了 Zoltek，Zoltek 是全球領(lǐng)先的大絲束(＞50K)碳纖維供應(yīng)商，其碳纖維產(chǎn)能將增加至 3.5 萬噸/年。

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