瀝青基碳纖維

第一章 瀝青基碳纖維技術(shù)市場(chǎng)分析和展望

1.1瀝青基碳纖維性質(zhì)說(shuō)明（簡(jiǎn)介/概述、性質(zhì)、產(chǎn)業(yè)鏈）

1.1.1產(chǎn)品概述

瀝青基碳纖維是指以瀝青等富含稠環(huán)芳烴的物質(zhì)為原料，通過(guò)聚合、紡絲、不熔化、碳化處理制備的一類碳纖維，按其性能的差異又分為通用級(jí)瀝青碳纖維和高性能瀝青碳纖維。前者由各向同性瀝青制備，又稱各向同性瀝青基碳纖維，后者由中間相瀝青出發(fā)制備，故又稱為中間相瀝青級(jí)碳纖維。

瀝青基碳纖維主要是以煤焦油瀝青、石油瀝青或萘系瀝青為原料制備而成?；诩徑z瀝青的結(jié)晶狀態(tài)，瀝青碳纖維又可以分為各向異性（中間相）瀝青基碳纖維和各向同性瀝青基碳纖維；前者纖維所用瀝青原料中構(gòu)成分子成為液晶態(tài)面取向，用偏光顯微鏡觀察時(shí)顯示光學(xué)各向異性，而后者瀝青原料構(gòu)成分子隨機(jī)取向，呈光學(xué)各向同性。

1963年日本群馬大學(xué)大谷教授等發(fā)明了瀝青基碳纖維的制備方法，1970年由日本吳羽化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社使用各向同性瀝青為原料實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，該型碳纖維主要通過(guò)發(fā)揮碳材料的滑動(dòng)特性和耐化學(xué)性等開(kāi)拓了應(yīng)用用途。隨后，在1969年大谷教授等發(fā)現(xiàn)，通過(guò)紡絲時(shí)顯示各向異性的瀝青材料，可以制造強(qiáng)度彈性模量高的高性能瀝青基碳纖維。1975年，美國(guó)UCC公司（現(xiàn)在瀝青基碳纖維由Cytec公司繼承，后來(lái)轉(zhuǎn)被Solvay收購(gòu)，2023年Solvay公司拆分成兩家公司上市，其中Syensqo繼承了碳纖維及復(fù)合材料業(yè)務(wù)）成功地以石油瀝青為原料實(shí)現(xiàn)連續(xù)瀝青基碳纖維工業(yè)化。另外，在我國(guó)，鞍山賽諾達(dá)碳纖維、山西宏特煤化工等也實(shí)現(xiàn)了各向同性瀝青基碳纖維的工業(yè)化。

1.1.2產(chǎn)品性質(zhì)

瀝青基碳纖維是一種高性能的特種纖維，具有許多優(yōu)異的性能特點(diǎn)。

首先，瀝青基碳纖維具有很高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)2000MPa以上，彈性模量可達(dá)200GPa以上。

其次，瀝青基碳纖維能在極高的溫度下保持3000℃，短時(shí)間內(nèi)可達(dá)5000℃。瀝青基碳纖維具有很好的耐腐蝕性能，能抵抗各種化學(xué)腐蝕，同時(shí)它也具有良好的抗疲勞性能，能經(jīng)受反復(fù)的應(yīng)力循環(huán)。

最后，瀝青基碳纖維還具有優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，在高溫和載荷作用下仍能保持其尺寸荷性能的穩(wěn)定性。瀝青基碳纖維的密度低，這使得它在減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)效率等方面具有優(yōu)勢(shì)。

下表列舉了一些瀝青基碳纖維與石墨晶體和金屬材料定量參數(shù)對(duì)比，從彈性模量（拉伸模量）上，瀝青基碳纖維已經(jīng)非常接近理想石墨晶體的模量，但是熱導(dǎo)率仍與石墨品體存在一定的差距，但是相比于金屬材料，從模量和熱導(dǎo)率等性能上優(yōu)勢(shì)明顯。

1.1.3產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上游原材料主要包括聚丙烯腈（PAN）、瀝青、粘膠纖維等。這些原材料

從石油、煤炭、天然氣等化石燃料中提取出來(lái)，通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)和加工而成。其中，聚丙烯腈原絲是碳纖維的主要原料，其質(zhì)量和性能對(duì)碳纖維的生產(chǎn)至關(guān)重要。中游則是碳纖維的制造環(huán)節(jié)，包括原絲的生產(chǎn)、碳化、石墨化等工藝過(guò)程。下游是碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括風(fēng)電、體育休閑、航空航天、汽車、建筑、電子電器等多個(gè)行業(yè)。

1.2生產(chǎn)工藝描述

1.2.1主要工藝基本情況簡(jiǎn)述

1.2.1.1瀝青基碳纖維的合成

瀝青基碳纖維制備工藝主要包括可紡瀝青的調(diào)制、熔融紡絲、預(yù)氧化、碳化及石墨化四步工序，以下工藝以高性能瀝青基碳纖維為例。

可紡瀝青的調(diào)制：瀝青調(diào)制是其制備的關(guān)鍵步驟，要求其中間相瀝青具有高度各向異性同時(shí)具有良好紡絲性。

熔融紡絲：瀝青基碳纖維紡絲過(guò)程是初始纖維制備過(guò)程，是制備高性能碳纖維的重要基礎(chǔ)。紡絲工藝的好壞可以直接決定碳纖維的性能。瀝青紡絲通常用方法有氮壓式熔融紡絲和螺桿擠壓式熔融紡絲。熔融紡絲過(guò)程中，影響中間相瀝青液晶分子排列的主要因素有紡絲溫度、噴絲頭的形狀及長(zhǎng)徑比、紡絲壓力、卷繞筒速度。

預(yù)氧化：預(yù)氧化反應(yīng)中羰基和苯氧基的相互交聯(lián)作用有效提高了碳纖維的軟化點(diǎn)，欲提高碳纖維的性能，應(yīng)調(diào)整預(yù)氧化反應(yīng)條件使瀝青纖維充分預(yù)氧化。預(yù)氧化溫度、纖維與氧氣的接觸時(shí)間是影響該工藝的關(guān)鍵因素。

碳化及石墨化：碳化是在1800℃以下進(jìn)行，石墨化則是在2000-3000℃高溫下進(jìn)行，該步工藝可以有效提高碳纖維的力學(xué)性能。碳化最終使瀝青纖維中碳元素含量增加，形成大片層排列的亂層石墨結(jié)構(gòu)。石墨化過(guò)程是為了促使碳化纖維石墨網(wǎng)層進(jìn)一步完善，提高纖維綜合性能。

瀝青基碳纖維的制備工藝如下圖：

第二章 瀝青基碳纖維供應(yīng)與需求市場(chǎng)分析

2.1瀝青基碳纖維的供應(yīng)市場(chǎng)分析

從市場(chǎng)來(lái)看，由于整個(gè)瀝青基碳纖維市場(chǎng)的參與者數(shù)量非常有限，幾大跨國(guó)公司在這個(gè)細(xì)分領(lǐng)域有著絕對(duì)的壟斷地位，幾乎壟斷了市場(chǎng)上的全部份額，行業(yè)處于明顯的寡頭競(jìng)爭(zhēng)格局。目前，世界上生產(chǎn)瀝青基碳纖維的公司主要有日本吳羽化學(xué)、日本三菱化學(xué)、日本Donac、日本Granoc、中國(guó)塞諾達(dá)和美國(guó)Cytec。

國(guó)內(nèi)瀝青基碳纖維生產(chǎn)廠商主要有鞍山塞諾達(dá)等，但國(guó)內(nèi)廠商產(chǎn)能基本都在百噸級(jí)別，產(chǎn)能規(guī)模較小，且極為分散，下游需求暫不穩(wěn)定。從產(chǎn)能看，湖南東邦和鞍山賽諾達(dá)產(chǎn)能最高，年產(chǎn)能突破百噸，其他公司產(chǎn)能布局較小。

從各家產(chǎn)品類型看，高性能瀝青纖維是大多數(shù)公司在研或者已經(jīng)推出的產(chǎn)品，主要因?yàn)槠湎鄬?duì)價(jià)值更高，應(yīng)用廣泛。從公司類型看，部分公司如遼寧諾科，掌握瀝青碳基纖維全流程工藝，擁有完全自主產(chǎn)權(quán)，而像信德新材等公司過(guò)去主要做可紡瀝青，為瀝青碳基纖維上游，目前通過(guò)上游材料優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍下游市場(chǎng)。

整體看國(guó)內(nèi)公司瀝青碳基纖維實(shí)現(xiàn)規(guī)?；鲐涊^少，對(duì)標(biāo)國(guó)外公司，技術(shù)、產(chǎn)能、成本差距較大。隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)突破以及下游應(yīng)用的快速推進(jìn)，預(yù)計(jì)行業(yè)未來(lái)將迎來(lái)較快成長(zhǎng)。

2.2中國(guó)瀝青基碳纖維的需求市場(chǎng)分析

瀝青基碳纖維是一種高性能的特種纖維，由于其卓越的性能特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

在航天領(lǐng)域，瀝青基碳纖維因其高輕度、高模量、耐高溫等特性而被廣泛應(yīng)用于航天器的結(jié)構(gòu)和部件制造。例如，衛(wèi)星天線骨架、太陽(yáng)能電池板支架、火箭發(fā)電機(jī)噴管和導(dǎo)彈彈體等需要使用瀝青基碳纖維來(lái)提高其力學(xué)性能和耐高溫性能。

在電子設(shè)備領(lǐng)域，瀝青基碳纖維因其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好等特性而被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的制造。例如，電路板、電磁屏蔽罩、電子元器件的散熱器等都需要使用瀝青基碳纖維來(lái)提高其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。

在建筑領(lǐng)域，瀝青基碳纖維因其高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕和輕質(zhì)等特性而被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、抗震材料等都需要使用瀝青基碳纖維來(lái)提高其力學(xué)性能和耐久性。

在醫(yī)療器械領(lǐng)域，瀝青基碳纖維纖維因其生物相容性好和強(qiáng)度高等特性而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械的制造。例如，骨科植入物、牙科材料、血管支架等都需要使用瀝青基碳纖維來(lái)提高其力學(xué)性能和生物相容性。