Aktueller Stand und bahnbrechende Anwendungen von Kohlenstofffasern

Kohlenstofffaser bezeichnet ein anorganisches Polymermaterial mit einem Kohlenstoffgehalt von über 90 %. Sie wird aus Rohstoffen wie Polyacrylnitril (PAN) durch Verfahren wie Hochtemperaturoxidation und Karbonisierung hergestellt. Derzeit weist sie unter den Hochleistungsfasern die höchste spezifische Festigkeit und den höchsten spezifischen Elastizitätsmodul auf und rangiert bei der Hochtemperaturbeständigkeit unter allen synthetischen Fasern an erster Stelle.

I. Aktueller Stand der Entwicklung von Kohlenstofffasern

(1) Mehrere globale Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte sind entstanden

In den letzten Jahren sind im Bereich der Kohlenstofffasern fortlaufend neue Forschungs- und Entwicklungsleistungen hervorgetreten, wobei die meisten bahnbrechenden Fortschritte aus den Vereinigten Staaten und Japan stammen.

Die neuesten Spitzentechnologien konzentrieren sich nicht nur auf die Herstellung und die Verarbeitungstechniken von Kohlenstofffasern, sondern auch auf deren Anwendungen in breiteren Bereichen wie der Gewichtsreduzierung von Automobilwerkstoffen, dem 3D-Druck sowie Materialien für die Energieerzeugung.

Darüber hinaus wurden erhebliche Fortschritte beim Recycling und der Wiederverwendung von Kohlenstofffasermaterialien sowie bei der Herstellung von ligninbasierten Kohlenstofffasern erzielt.

Zu den bemerkenswerten Errungenschaften zählen: der Durchbruch des Georgia Institute of Technology in der Technologie der Kohlenstofffasern der dritten Generation; die Entwicklung der Elektromagnetwellen‑Heiztechnologie durch das japanische NEDO; die präzise Steuerung des Karbonisierungsprozesses durch Toray mittels der traditionellen PAN‑Lösungsspinn‑Technologie; die erfolgreiche Entwicklung einer Plasma‑Oberflächenbehandlungstechnologie durch Teijin‑Toboku aus Japan, die es ermöglicht, das Erscheinungsbild und die Eigenschaften von Kohlenstofffasern innerhalb von nur wenigen Sekunden zu steuern; die Forschungsarbeiten des Ningbo‑Instituts für Materialtechnik und -ingenieurwesen zur Ermittlung der Rückhaltequote der Zugfestigkeit von Kohlenstofffasern unter Hochtemperatur‑Graphitisierungsbedingungen; sowie die erfolgreiche Entwicklung einer in den USA patentierten Ultrahochtemperatur‑Graphitisierungstechnologie durch Yonghong Advanced Materials in Taiwan, die die Massenproduktion von Kohlenstofffasern mittlerer bis hoher Qualität ermöglicht.

(2) China führt die weltweite Nachfrage nach Kohlenstofffasern an

Im Jahr 2023 erreichte die inländische Nachfrage nach Kohlenstofffasern rund 98.600 metrische Tonnen, was einem Anstieg von 32,6 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Von 2008 bis 2023 wuchs die Nachfrage mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 17,1 % und lag damit deutlich über der globalen durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 9,8 %.

Bis 2022 entfielen die inländischen Nachfrage nach Kohlenstofffasern bereits auf rund 55,1 % der weltweiten Gesamtnachfrage – ein deutlicher Anstieg gegenüber dem Anteil von etwa 20 % in den Vorjahren – und machten China zum weltweit größten Markt für Kohlenstofffasern.

Beschleunigte Inlandsersatzbeschaffung: Die inländische Produktion übertraf 2022 die Importe. Mit der Inbetriebnahme neuer Produktionskapazitäten heimischer Kohlenstofffasern und dem Fortschritt der Technologie beschleunigt sich der Prozess der Inlandsersatzbeschaffung bei Kohlenstofffasern weiterhin. Von den 98.600 metrischen Tonnen der inländischen Nachfrage nach Kohlenstofffasern im Jahr 2023 wurden rund 54.600 metrische Tonnen im Inland hergestellt.

(3) Die inländische Produktionskapazität übersteigt 100.000 Tonnen

Laut Statistiken der Website Baichuan Yingfu belief sich die gesamte Produktionskapazität inländischer Kohlenstofffaserhersteller im Juni 2023 auf 117.000 Tonnen – ein Anstieg von rund 86,6 % gegenüber den Ende 2021 verzeichneten 62.700 Tonnen; dabei liefen die überwiegende Mehrheit der Produktionslinien reibungslos.

Die Jilin Group, Zhongfu Sanying und Xinchuang Carbon Valley haben jeweils eine Produktionskapazität von über 10.000 Tonnen erreicht und führen den heimischen Markt durch ihre Skalenvorteile an. Dank der politischen Unterstützung für die weitere Entwicklung der Kohlenstofffaser wird die chinesische Produktionskapazität für Kohlenstofffasern bis 2024 voraussichtlich auf 184.000 Tonnen anwachsen.

(IV) Die Kluft in Bezug auf Qualität und Leistungsfähigkeit zwischen inländischen und US-amerikanischen bzw. japanischen Kohlenstofffasern verringert sich

In der Kohlenstofffasernindustrie werden Kohlenstofffasern mit mehr als 48.000 Filamenten pro Bündel (als 48K bezeichnet) in der Regel als Großbündel‑Kohlenstofffasern eingestuft, während solche mit 1.000 bis 12.000 Filamenten pro Bündel (1–12K) als Kleinbündel‑Kohlenstofffasern gelten.

Im Vergleich zu Kohlenstofffasern mit kleiner Faserbündelstärke besteht der Hauptvorteil von 48K‑Kohlenstofffasern mit großem Faserbündel darin, dass sie unter gleichen Produktionsbedingungen sowohl die Ausbeute pro Einzelfaser als auch die Qualität und Leistung der Kohlenstofffaser deutlich steigern können, wodurch niedrigere Produktionskosten ermöglicht werden.

Derzeit konzentriert sich die inländische Kohlenstofffasernproduktion jedoch überwiegend auf den Bereich von 1–12 K, sodass Kleinstrang‑Kohlenstofffasern den Markt dominieren. Aufgrund der höheren Kosten, die mit Kleinstrang‑Kohlenstofffasern verbunden sind, zeigten nachgelagerte Unternehmen bisher eine geringere Bereitschaft, diese zu verwenden.

Bisher wurde die Produktionstechnologie für Großstrang‑Kohlenstofffasern hauptsächlich von wenigen Großunternehmen in den Vereinigten Staaten, Deutschland und Japan beherrscht. Mit der Inbetriebnahme Chinas erster im Inland errichteter Produktionslinie für 48K‑Großstrang‑Kohlenstofffasern mit einer Jahreskapazität von 10.000 Tonnen auf der Sinopec‑Industriestandort für Kohlenstofffasern in Shanghai hat China jedoch offiziell die Industrialisierung der Großstrang‑Kohlenstofffaser eingeleitet. Diese Entwicklung wird die gegenwärtige Situation ändern, in der China bei Großstrang‑Kohlenstofffasern vollständig auf Importe angewiesen ist und chronische Versorgungsengpässe erlebt, und so das Wachstum der heimischen Kohlenstofffaserindustrie stärken.

II. Schlüsselanwendungsbereiche für Kohlenstofffasern

(1) Wirtschaft in niedriger Höhe

Am 28. März dieses Jahres haben das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie, das Ministerium für Wissenschaft und Technologie, das Finanzministerium sowie die Zivilluftfahrtbehörde Chinas gemeinsam den „Umsetzungsplan zur innovativen Anwendung von Allgemeinluftfahrtausrüstung (2024–2030)“ veröffentlicht, der vorsieht, bis 2030 eine Marktkapazität in Höhe von einer Billion Yuan für die Niedrigflughöhenwirtschaft zu fördern.

Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe bieten Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und werden seit Langem im Luft‑ und Raumfahrtsektor eingesetzt. Im Jahr 2023 belief sich die weltweite Nachfrage nach Kohlenstofffasern auf insgesamt 115.000 metrische Tonnen; davon entfielen 19,1 % auf die Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie die Rüstungsindustrie.

Berichten zufolge setzen sowohl der Traveler X2 von Xpeng Huitian als auch das „Shengshi Long“ von Fengfei Aviation bereits in großem Umfang Kohlefaserverbundwerkstoffe ein. Auch die unbemannte, bemannte Drohne EH216‑S von EHang – die erste, die von der CAAC ein Typenzertifikat sowie ein Standard‑Lufttüchtigkeitszeugnis erhalten hat – verwendet epoxidbasierte Kohlefaserverbundwerkstoffe.

(4) Die Kluft in Bezug auf Qualität und Leistungsfähigkeit zwischen im Inland hergestellter Kohlenstofffaser und jener aus den Vereinigten Staaten sowie Japan verringert sich stetig.

In der Kohlenstofffasernindustrie werden Kohlenstofffaserverbünde mit mehr als 48.000 Filamenten (als 48K bezeichnet) in der Regel als Großstrang‑Kohlenstofffasern eingestuft, während solche mit zwischen 1.000 und 12.000 Filamenten (1–12K) als Kleinstrang‑Kohlenstofffasern klassifiziert werden.

Im Vergleich zu Kohlenstofffasern mit kleinem Faserbündel liegt der Hauptvorteil von 48K‑Kohlenstofffasern mit großem Faserbündel darin, dass sie sowohl die Produktionskapazität pro Faser als auch die Qualität und Leistung der Kohlenstofffaser unter gleichen Produktionsbedingungen deutlich steigern können, wodurch niedrigere Produktionskosten ermöglicht werden.

Derzeit konzentriert sich die inländische Kohlenstofffasernproduktion jedoch überwiegend auf den Bereich von 1–12K; damit dominiert die Kleinstrang‑Kohlenstofffaser den Markt. Da Kleinstrang‑Kohlenstofffaser teurer ist, hat dies die Bereitschaft der nachgelagerten Unternehmen, Kohlenstofffasern einzusetzen, gedämpft.

Bisher wurde die Produktionstechnologie für Großstrang‑Kohlenstofffasern hauptsächlich von wenigen Großunternehmen in den Vereinigten Staaten, Deutschland und Japan beherrscht. Mit der Inbetriebnahme Chinas erster im Inland errichteter Produktionslinie für 48K‑Großstrang‑Kohlenstofffasern mit einer Jahreskapazität von 10.000 Tonnen auf der Sinopec‑Industriestandort für Kohlenstofffasern in Shanghai hat China jedoch offiziell die Industrialisierung der Großstrang‑Kohlenstofffaser eingeleitet. Diese Entwicklung wird die gegenwärtige Situation ändern, in der China bei Großstrang‑Kohlenstofffasern vollständig auf Importe angewiesen ist und chronische Versorgungsengpässe erlebt, und so das Wachstum der heimischen Kohlenstofffaserindustrie stärken.

II. Schlüsselanwendungsbereiche für Kohlenstofffasern

(1) Wirtschaft in niedriger Höhe

Am 28. März dieses Jahres haben das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie, das Ministerium für Wissenschaft und Technologie, das Finanzministerium sowie die Zivilluftfahrtbehörde Chinas gemeinsam den „Umsetzungsplan zur innovativen Anwendung von Allgemeinluftfahrtausrüstung (2024–2030)“ veröffentlicht, der vorsieht, bis 2030 eine Marktkapazität in Höhe von einer Billion Yuan für die Niedrigflughöhenwirtschaft zu fördern.

Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe bieten Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit und werden seit Langem im Luft‑ und Raumfahrtsektor eingesetzt. Im Jahr 2023 belief sich die weltweite Nachfrage nach Kohlenstofffasern auf insgesamt 115.000 metrische Tonnen; davon entfielen 19,1 % auf die Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie die Rüstungsindustrie.

Daten zeigen, dass der Traveler X2 von Xpeng Huitian sowie das „Shengshi Long“ von Fengfei Aviation bereits in großem Umfang Kohlefaserverbundwerkstoffe einsetzen. Auch die unbemannte, bemannte Drohne EH216‑S von EHang – die erste, die sowohl ein Typenzertifikat als auch ein Standard‑Lufttüchtigkeitszeugnis der CAAC erhalten hat – verwendet epoxidbasierte Kohlefaserverbundwerkstoffe. Es ist zu erwarten, dass Kohlefaserverbundwerkstoffe zum vorherrschenden Werkstoff für die Rümpfe zukünftiger Produkte werden.

(II) Sport und Freizeit

Kohlenstofffaser wird im Sport- und Freizeitbereich vielfach eingesetzt. Sportgeräte wie Golfschläger, Angelruten, Tennisschläger, Badmintonschläger, Fahrräder, Skistöcke, Snowboards, Windsurf-Masten sowie Bootsrümpfe zählen zu den Hauptanwendern von Kohlenstofffaser. Schätzungen zufolge beläuft sich die weltweite Produktion von Angelruten aus Kohlenstofffaser auf jährlich rund 20 Millionen Paare.

Kohlenstofffasern finden ebenfalls in Alltagsgegenständen Verwendung, etwa in Haushaltsgeräten wie Audiosystemen, Badheizkörpern und Raumheizgeräten sowie in elektronischen Produkten wie Mobiltelefonen und Laptops. Darüber hinaus kommen Kohlenstofffasern auch in anderen maritimen Sportarten zum Einsatz, etwa im Rudersport und im Leistungsrudern.

(3) Windenergie und Photovoltaik

Betrachtet man die nachgelagerte Nachfrage in der chinesischen Kohlenstofffasernindustrie, so entfallen derzeit die größten Anteile auf die Bereiche Sport und Freizeit sowie auf Windturbinenblätter – mit jeweils 30,9 % bzw. 23,5 %.

Mit dem Auslaufen der Kernpatente von Vestas, der raschen Expansion der chinesischen heimischen Kohlenstofffaserindustrie sowie deren fortlaufenden Bemühungen zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung, der schnellen Durchdringung des Offshore-Windenergiemarktes und dem Trend zu immer größeren Windkraftanlagen – in Verbindung mit diesen vielfältigen günstigen Faktoren – wird erwartet, dass Kohlenstofffasern für Windenergieanwendungen in China ein noch höheres Entwicklungspotenzial entfalten und damit das Wachstum der inländischen Nachfrage nach Kohlenstofffasern weiter vorantreiben werden.