储氢瓶、风电叶片、大桥斜拉索……近些年，高性能碳纤维及其复合材料在新能源领域的应用不断打开新空间，也不断刷新着大家的认知。
5月17日，新能源用高性能纤维及复合材料论坛在江苏连云港举办。该论坛是中复神鹰·2024国际高性能纤维及复合材料高端论坛分论坛之一。
▲成志钢
江苏国富氢能技术装备股份有限公司氢瓶事业部总经理成志钢介绍了碳纤维复合气瓶技术的创新发展情况。
他介绍，国内民用复合气瓶产业发展始于2000年左右。当时，我国空气呼吸器用复合气瓶迅速发展，但是所用的T700级碳纤维主要靠进口。在2019年之前，国富氢能所用的碳纤维全部进口自日本和韩国。
随着国产碳纤维技术的快速发展，目前，我国复合气瓶领域使用的碳纤维已经基本实现了国产化替代。以国富氢能为例，2019年，公司与中复神鹰签定了战略合作开发协议。由国富氢能给出储氢瓶用T700级碳纤维的强度、模量指标，中复神鹰进行专项开发，该项工作取得成功。
“中复神鹰研发的SYT 49S-24K碳纤维的性能，在当时就已经超过了日本企业的产品水平。我们用中复神鹰的碳纤维做出来的储氢瓶，轻于用日本企业的碳纤维做出来的储氢瓶。我们还使用中复神鹰的SYT49S-24K碳纤维成功开发了70MPA三型储氢瓶，其疲劳次数达11000次以上。这实现了两个突破，一是突破了三型储氢瓶必须用T800级碳纤维才能合格的限制，二是突破了国产碳纤维在70MPA储氢瓶上的应用。”成志钢说。
成志钢还介绍了复合气瓶用碳纤维的特性指标，包括干喷湿纺与湿纺碳纤维的区别，线密度(大丝束)与纤维利用率的关系，碳纤维模量、强度与三型复合气瓶性能的关系等。其中，模量越高，疲劳性能越好，强度越高，储氢瓶的安全系数越高。“三型储氢气瓶疲劳的核心在于铝内胆，铝内胆的疲劳核心在于内胆在疲劳压力下的应力。”
对于复合气瓶用碳纤维的发展方向，成志钢认为主要体现在以下几个方面，包括强度更高、模量更高，重点提升低值，提高缠绕工艺性，提升线密度的稳定性，聚焦干喷湿纺产品，聚焦T700级等。
▲Flávio A. Marter Diniz
德国亚琛工业大学纺织技术研究所研究助理Flávio A. Marter Diniz介绍了前驱体聚乙烯在碳纤维及其复合材料轻量化应用中对降低成本的作用。
目前，全球碳纤维市场上以聚丙烯腈基(PAN)碳纤维为主，PAN基碳纤维市场份额约为96%，其50%的生产成本与PAN基碳纤维原丝有关。聚乙烯(PE)是一种前驱体替代材料，可用于生产具有良好成本效益和规模化市场应用的碳纤维。由聚乙烯基作前驱体制成的碳纤维，可降低50%的成本。聚乙烯基碳纤维的优势在于，以普通商用级聚合物作为原料，使用生物基或回收原料成为可能，且采用熔体纺丝，更高效、更环保。国外研发的聚乙烯基碳纤维原丝，采用熔融纺丝技术。
聚乙烯是一种很有发展前景的前驱体材料，可显著降低成本，并具备良好的机械性能。但是，聚乙烯基碳纤维实现工业化生产仍然需要克服一些困难，如精制聚乙烯等级、纺丝设备的规模化、磺化过程的可扩展性等。
▲王志伟
中复碳芯电缆科技有限公司副总经理王志伟介绍了土木用碳纤维复材研发和应用情况。碳纤维复合材料近年来在土木工程领域的应用大放异彩。这种轻质高强的材料不仅耐腐蚀，还具备出色的耐疲劳性能，能为结构带来免维护的便利，极大提升工程的成本效益，并延长使用寿命。
中复碳芯研发生产的碳纤维复合材料拉挤板材、碳纤维复合芯导线，以及各类特种导线和高端拉挤复合材料制品，广泛应用于电力输送、桥梁建设、工程机械等领域。其土木用碳纤维复材产品包括预应力锚杆、平行棒索、绞合索、拉杆索，已经成功用于多项国内重大工程，展现了卓越的性能和广阔的应用前景。
比如，湖北丹江口水库特大桥于2023年1月通车。中复碳芯全程参与前期试验、跟踪安装。王志伟介绍，该大桥右侧的桥台是个非常大的混凝土结构。该桥共用了28束碳纤维锚杆，单束的设计载荷为200吨。通过使用碳纤维锚杆，不仅省了大桥的开发量，还节省了8000多立方米的混凝土用量。聊城徒骇河大桥采用碳纤维复合材料索，实现了国产碳纤维在桥梁主索的应用。苏州嘉盛咖啡馆采用了一个大蘑菇型外观。该咖啡馆运用了32根碳纤维复材绞合索，每根的长度为10米，以此把蘑菇型外观固定在地面上，防止被风倾覆。
▲周培锐
新创碳谷集团有限公司技术研发中心副主任兼研发部长周培锐介绍了碳纤维在风电领域的应用情况。
随着叶片大型化进入“无人区”和设计的极限化，所面临的高模量玻璃纤维开发的瓶颈问题日益突出。叶片长度和重量随风机的大型化而增加，对原材料比刚度要求提升，使玻璃纤维已难以满足叶片的设计需求。碳纤维材料因其优异的性能正在被大量应用于风电叶片，尤其是海上大风机叶型。目前，海上120米以上叶型基本全部采用碳纤维拉挤板材作主梁。
根据《2023年全球碳纤维复合材料市场报告》的统计数据，2020-2023年，碳纤维在风电行业的渗透率分别为3%、6%、7%、25%;2024、2025年，其渗透率预计为25%、40%,相对应的对碳纤维的需求量分别为1.96万吨、3.7万吨。
碳纤维风电叶片的应用发展趋势包括单向预浸料、单向织物、单向碳玻混编织物，以及拉挤板材。新创碳谷集团目前形成了“材料体系+ 复材体系+装备体系”一体化发展模式。2019年，集团开始研发碳纤维拉挤板材，2020年开始批产供货，目前已稳定供货1200余万米。不过，周培锐指出，整体来看，当前碳纤维拉挤板材的压拉比偏低，下一步需要更好地解决这一问题。
新创碳谷集团还在国际上较早开发风电领域应用的碳纤维导流织物。周培锐介绍，不同风电叶片厂家对碳纤维导流织物的要求各不相同，包含纯碳、碳玻混合两种材料组合。目前，集团已经实现稳定批量销售的不同编织方式和规格织物共10余种，其中3K纤维的年需求量达400吨。
新创碳谷集团还进行碳纤维及其复材生产制造工艺装备的技术创新，比如，研发生产出碳纤维碳化设备、多轴向经编装备、可变门幅碳纤经编装备等，能够提供“一站式”碳纤维生产线解决方案。
▲牟绍伟
泰和新材集团股份有限公司芳纶技术开发部经理助理牟绍伟介绍了芳纶的应用情况及发展趋势。
芳纶分为间位芳纶和对位芳纶。全球间位芳纶的年产能为56100吨，其中泰和新材的间位芳纶年产能为17000吨，占比为30.30%，居全球第二位。全球对位芳纶的年产能为102800吨，其中泰和新材的对位芳纶年产能为16000吨。
间位芳纶主要应用于工业过滤(如除尘布袋、电厂除尘)、安全防护(如消防服、石油石化系统工作服等)、芳纶纸(电气绝缘、轨道交通等)领域。对位芳纶主要应用于安全防护(如防护服装、防割手套等)、摩擦密封(如刹车片、 密封垫片等)、橡胶增强(如浸胶帘子布、防割轮胎等)、光纤光缆领域。
芳纶行业的发展将呈现以下几种趋势。一是产业集成化。企业要做强、做大芳纶产业及其上下游产业链，进行产业链布局，推进工程一体化，打造具有更强竞争力的芳纶产业。
二是规模化、低成本化。规模化、低成本化将是国内芳纶产业发展的主要趋势，低成本将是拓宽芳纶应用领域的重要支撑，将加快芳纶产业的发展速度。牟绍伟介绍，为了提高芳纶长丝生产效率，泰和新材开发了全国首套用于间位芳纶制备的干喷湿纺生产线。该生产线具备工艺开发和连续生产能力，目前，公司间位芳纶长丝的年产能为200吨，生产能力提升5-6倍，大幅度降低了间位芳纶长丝的生产成本。
三是高性能化、功能化。高性能芳纶在国内仍存在巨大的市场空间，未来，高性能化将是国内芳纶产业的主要发展趋势。行业和企业要开发高强高模芳纶，开发差别化、功能化产品，提高芳纶产品的附加值。牟绍伟介绍，泰和新材开发了气凝胶芳纶、易染芳纶、预活化芳纶等多种功能性产品。其中，预活化芳纶具有高强高模、耐高温性能，与橡胶的粘合力显著提高，能广泛应用于橡胶输送带、车用轮胎等领域。
四是绿色生态、可持续发展，比如企业开发生物基芳纶、再生芳纶、超临界染色芳纶等。