Современное состояние разработок и основные области применения углеродного волокна

Обзор углеволокна

Углеродное волокно — это неорганический полимерный материал, состоящий более чем на 90% из углерода. Его получают из такого сырья, как полиакрилонитрил (ПАН), пек или вискоза, путем высокотемпературного окисления и карбонизации. Углеродное волокно обладает самой высокой удельной прочностью и модулем упругости среди всех высокоэффективных волокон, а также устойчиво к высоким температурам, превосходя все синтетические волокна.

I. Текущее состояние развития углеродного волокна

Мировые исследовательские центры
В последние годы значительные научные достижения в области углеродного волокна появились в основном в США и Японии. Передовые технологии сосредоточены не только на производстве углеродного волокна, но и на его применении в легких автомобильных материалах, 3D-печати и материалах для производства энергии. Среди заметных достижений:

• Технологический институт Джорджии (США) достиг прорывов в разработке углеродного волокна третьего поколения.

• Японская организация NEDO разработала технологию нагрева с использованием электромагнитных волн.

• Компания Toray (Япония) использует традиционную технологию формования ПАН-волокна, одновременно точно контролируя процесс карбонизации.

• Компания Teijin (Япония) создала технологию плазменной обработки поверхности углеродного волокна, позволяющую быстро контролировать внешний вид волокна.

• Нингбоский институт материалов изучает сохранение прочности углеродного волокна при высокотемпературной графитизации.

• Тайваньская компания Ever Bright Advanced Materials разработала уникальную технологию сверхвысокотемпературной графитизации для массового производства средне- и высококачественного углеродного волокна в США.

Китай как крупнейший потребитель
В 2023 году внутренний спрос на углеродное волокно в Китае достиг примерно 98 600 тонн, что на 32,6% больше, чем в предыдущем году. С 2008 по 2023 год среднегодовой темп роста (CAGR) составил 17,1%, что значительно превышает показатель в 9,8% за рубежом. В 2022 году на Китай пришлось около 55,1% мирового спроса на углеродное волокно по сравнению с 20% в предыдущие годы, что сделало его крупнейшим рынком потребления углеродного волокна. Замещение импортной продукции отечественной ускоряется; в 2022 году внутреннее производство превысило импорт, при этом в 2023 году в Китае было произведено около 54 600 тонн.

Внутренняя производственная мощность превышает 100 000 тонн
По состоянию на июнь 2023 года общая производственная мощность китайских производителей углеродного волокна составляла 117 000 тонн, что на 86,6% больше, чем в конце 2021 года (62 700 тонн). Большинство производителей работают на полную мощность. Такие компании, как Jilin, Zhongfu Shenying и Newstar Carbon Valley, уже достигли производственных мощностей, превышающих 10 000 тонн, и лидируют на внутреннем рынке. Благодаря поддерживающей политике развития углеродного волокна, производственная мощность Китая может вырасти до 184 000 тонн к 2024 году.

Качество и характеристики приближаются к мировым стандартам
Углеродное волокно можно разделить на крупно- и мелкофиламентное: крупнофиламентное содержит более 48 000 нитей (48K), а мелкофиламентное — от 1 000 до 12 000 нитей (1-12K). Преимущество волокон 48K заключается в их способности значительно повышать производительность и качество углеродного волокна при одновременном снижении затрат. Однако в Китае в основном производятся мелкофиламентные волокна, что приводит к более высоким затратам и препятствует применению материала в различных отраслях. Ранее производство крупнофиламентных волокон было сосредоточено в руках нескольких крупных компаний в США, Германии и Японии. Запуск первой в Китае линии по производству углеродного волокна 48K на заводе Sinopec Shanghai Petrochemical ознаменовал значительный сдвиг в снижении зависимости Китая от импорта.

II. Ключевые области применения углеродного волокна

Экономика низкой высоты
28 марта 2023 года Министерство промышленности и информационных технологий, Министерство науки и технологий, Министерство финансов и Управление гражданской авиации Китая опубликовали «План инновационного применения авиационной техники общего назначения (2024-2030)», прогнозируя, что к 2030 году рынок экономики низкой высоты достигнет триллионов юаней. Углеродные композитные материалы легкие, высокопрочные и устойчивые к коррозии, что делает их востребованными в аэрокосмической промышленности. В 2023 году мировое потребление углеродного волокна достигло 115 000 тонн, из которых 19,1% было использовано в авиации и оборонной промышленности. Такие компании, как XPeng и Volocopter, начали массово использовать углеродные композитные материалы, включая первый в мире беспилотник EH216-S от EHang, сертифицированный Управлением гражданской авиации Китая, в котором используются эпоксидные углеродные композиты.

Спорт и отдых
Углеродное волокно широко используется в спортивных и рекреационных товарах, таких как клюшки для гольфа, удочки, теннисные и бадминтонные ракетки, велосипеды, лыжные палки, лыжи, мачты для парусных лодок и корпуса лодок. Мировое производство углепластиковых удочек оценивается примерно в 20 миллионов единиц в год. Кроме того, углеродное волокно используется в предметах повседневного обихода, таких как динамики, обогреватели и бытовая техника, а также в электронике, такой как мобильные телефоны и ноутбуки.

Ветряная и солнечная энергетика
Ветроэнергетика и спортивные товары являются ведущими секторами потребления углеродного волокна в Китае, составляя 30,9% и 23,5% соответственно. С истечением срока действия ключевых патентов, быстрым расширением китайской индустрии углеродного волокна, снижением затрат и тенденцией к укрупнению ветроустановок ожидается значительный рост спроса на углеродное волокно в ветроэнергетике, что будет стимулировать внутренний рынок. Производители солнечных панелей также перешли с использования графитовых тиглей на углеродные композитные тигли, которые имеют более длительный срок службы, высокую термическую стабильность и стабильные свойства кристаллизации, что делает их предпочтительными для печей монокристаллического и мультикристаллического литья.

Усиление конструкций с помощью углеродного волокна
Усиление углеродным волокном включает такие методы, как использование углеродной ткани и углеродных пластин. Исследования по усилению бетонных конструкций углеродным волокном начались в 1980-х годах в развитых странах, таких как США и Япония. В Китае эта технология появилась позже, но благодаря быстрому развитию экономики и транспортной инфраструктуры спрос на усиление углеродным волокном значительно увеличился.

III. Будущие применения углеродного волокна

Промышленные приложения
С развитием технологий углеродное волокно найдет широкое применение в производстве высокотехнологичных продуктов, таких как самолеты, автомобили и корабли. Его можно использовать для создания легких, но прочных материалов для кузовов автомобилей, компонентов самолетов и корпусов судов, что значительно снижает вес и повышает структурную прочность.

Энергетический сектор
Углеродное волокно будет широко применяться в энергетическом секторе для создания более легких и прочных компонентов ветряных и солнечных установок, повышая их эффективность и долговечность.

Медицинские приложения
Углеродное волокно можно использовать для разработки легких и прочных протезов, улучшая качество жизни пациентов. Его также можно применять в медицинском оборудовании, таком как рентгеновские аппараты и МРТ-сканеры, повышая их прочность и долговечность.

Строительство
Углеродное волокно найдет широкое применение в строительной отрасли, особенно для усиления бетонных конструкций, повышая их прочность и долговечность.

Спорт и отдых
Углеродное волокно будет использоваться для создания легких и прочных спортивных товаров, таких как велосипеды, теннисные ракетки и лыжные палки, улучшая их характеристики и срок службы.

Электроника
Углеродное волокно будет применяться в легких и прочных корпусах для мобильных телефонов, ноутбуков и другой электроники, повышая их прочность и долговечность.

Заключение

Углеродное волокно имеет широкий спектр применения и значительный потенциал развития в будущем. По мере развития технологий и увеличения объемов производства его применение будет продолжать расширяться, открывая новые возможности в различных отраслях промышленности.