碳纖維國(guó)產(chǎn)化現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展前景分析

徐樑華

（北京化工大學(xué)，國(guó)家碳纖維工程技術(shù)研究中心，北京 100000）

1 國(guó)內(nèi)碳纖維技術(shù)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

1.1 技術(shù)有序推進(jìn)

經(jīng)過(guò)近3個(gè)五年計(jì)劃的 “技術(shù)推動(dòng)+應(yīng)用牽引”式研究，高性能碳纖維的國(guó)產(chǎn)化工作成效顯著，進(jìn)展有序（圖 1）。

積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。①產(chǎn)學(xué)研用高度協(xié)同的研究機(jī)制；②關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)實(shí)行“雙流水”的成功模式；③“芯片”式的弄虛作假在碳纖維行業(yè)出現(xiàn)過(guò)，但沒(méi)形成氣候。

圖1 與日本東麗公司技術(shù)與產(chǎn)品對(duì)標(biāo)情況

1.2 生產(chǎn)能力建設(shè)成效顯著

2018年8 月，千噸級(jí)生產(chǎn)線11條，500 t級(jí)生產(chǎn)線9條，100～400 t級(jí)生產(chǎn)線17條。碳纖維生產(chǎn)能力約 26 000 t，2017 年供應(yīng)市場(chǎng) 7 400 t（圖 2）。

圖2 2017年國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)能（t）

1.3 產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)明顯滯后

（1）大多在產(chǎn)業(yè)鏈的中間環(huán)節(jié)，運(yùn)行與盈利風(fēng)險(xiǎn)大。

（2）單純的纖維制造商、單一產(chǎn)品的纖維制造商生存難度加大。

1.4 產(chǎn)業(yè)支撐能力亟待加強(qiáng)

（1）單線千噸級(jí)產(chǎn)能有威海拓展纖維有限公司、江蘇恒神碳纖維有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限公司和中安信、中化藍(lán)星、吉林化纖（碳谷）、浙江精功、吉林精功等企業(yè)。

（2）原絲碳化技術(shù)鏈有吉林石化、河南永煤、太原鋼科、江蘇中簡(jiǎn)、揚(yáng)州中科院中心、上海石化、邯鄲硅谷、西安康本、江蘇航科、沈陽(yáng)恒天、浙江泰先等單位。

（3）專注碳化有吉林江城、吉林碳素、吉研高科、大連新科、甘肅郝式、廣東金發(fā)、安徽首文等單位（圖3）。

圖3 國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈

1.5 產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟水平偏低

碳纖維（新材料）產(chǎn)業(yè)化過(guò)程分為5個(gè)階段：①預(yù)先研發(fā)階段（從0～1）；②小試研發(fā)階段（從1～2）；③中試產(chǎn)業(yè)化階段（從 2～3）；④精益量產(chǎn)階段（從 3～4）；⑤精益研發(fā)階段（從 4～10）。中試階段有的是裝備具有中試規(guī)模，有的就是產(chǎn)業(yè)化規(guī)模裝備，只是生產(chǎn)負(fù)荷沒(méi)有達(dá)到（≤3）。

持續(xù)發(fā)展的健康模式需高度關(guān)注（圖4）。

圖4 國(guó)內(nèi)碳纖維發(fā)展模式

1.6 知識(shí)產(chǎn)權(quán)與標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)欠賬太多

“十二五”期間在中國(guó)境內(nèi)申請(qǐng)的專利：①碳纖維及其復(fù)合材料共申請(qǐng)專利32 854件。②發(fā)明20 799件，其他12 055件。③已經(jīng)審核結(jié)束的8 005件發(fā)明專利中授權(quán)率58.8%，失效率41.2%。④碳纖維產(chǎn)品及其制造方法843件，碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用32 011件。

“十二五”期間高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：①已經(jīng)出版18個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其中：產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)11項(xiàng)，其他標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)。②推薦12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其中：產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)0項(xiàng)，測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)9項(xiàng)，其他標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)。③出版：聚丙烯晴基碳纖維，碳纖維密度的測(cè)定。

我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)（技術(shù)）呈現(xiàn)出“四多四少”的尷尬狀況：①企業(yè)多龍頭少；②產(chǎn)能多產(chǎn)量少；③用量多國(guó)產(chǎn)少；④跟蹤多原創(chuàng)少。我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展“前有堵截、后有追兵”，不僅面臨日美的高端禁運(yùn)和低端擠壓，也面臨韓/土耳其/印度等后發(fā)國(guó)家的快速追趕，生存環(huán)境嚴(yán)峻。

2 國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)發(fā)展前景分析

2.1 碳纖維技術(shù)與材料屬性

2.1.1 技術(shù)（產(chǎn)業(yè)）鏈長(zhǎng)

兩頭有話語(yǔ)權(quán)、中間被動(dòng)，產(chǎn)業(yè)鏈越短越被動(dòng)。

2.1.2 體系化要求高（圖5）

圖5 碳纖維體系

2.1.3 產(chǎn)品品種呈多元化特點(diǎn)

品種系列豐富，新品種不斷出現(xiàn)（圖6）。

圖6 碳纖維產(chǎn)品品種

表1 碳纖維的性能和比重

2.1.4 屬于貴族材料、小眾產(chǎn)品

性能+比重，碳纖維是最好的材料，結(jié)構(gòu)輕量化首選（表 1）。

碳纖維應(yīng)用從航天航空逐步拓展到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，從“貴族”材料向平民化材料發(fā)展。

碳纖維永遠(yuǎn)是貴族材料，不會(huì)是平民材料，具有定制化的價(jià)值。

2017年全球需求約8萬(wàn)t，中國(guó)大陸2.3萬(wàn)t。

根據(jù)全球10%，中國(guó)12%的增速測(cè)算，到2030年全球 29萬(wàn) t，中國(guó) 9.6萬(wàn) t（圖 7）。

圖7 2017年全球樹(shù)脂基復(fù)合材料需求-應(yīng)用領(lǐng)域（萬(wàn)t）

2.2 國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)發(fā)展需要考慮的問(wèn)題

2.2.1 迎合應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展規(guī)劃（圖8）

圖8 突出需求牽引的發(fā)展模式

2.2.2 理解中國(guó)特色發(fā)展模式的內(nèi)涵

高質(zhì)量高效益發(fā)展和可持續(xù)健康發(fā)展新臺(tái)階。

中國(guó)模式：“軍品上水平，民品上規(guī)?！?。

（1）技術(shù)（產(chǎn)品）對(duì)標(biāo)為主逐漸向技術(shù)（產(chǎn)品）創(chuàng)新發(fā)展-服務(wù)軍。

（2）提倡自主創(chuàng)新，最大程度發(fā)展碳纖維的效能-服務(wù)民。

（3）防止“講故事忽悠”、“新瓶裝老酒”等偽創(chuàng)新。

2.2.3 國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)分析

（1）纖維應(yīng)用技術(shù)、復(fù)合材料應(yīng)用市場(chǎng)需要的碳纖維制備技術(shù)

①實(shí)施自主創(chuàng)新——對(duì)標(biāo)式技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)向自主品牌創(chuàng)新過(guò)渡。

②建立定制理念——圍繞具有發(fā)展前景的大市場(chǎng)，研發(fā)專用碳纖維技術(shù)，充分改良碳纖維的不足，提升碳纖維材料的性價(jià)比。

③碳纖維本征性能要為應(yīng)用服務(wù)。

從玻璃纖維為主的纖維應(yīng)用發(fā)展為碳纖維織物等預(yù)制件制備、碳纖維復(fù)合材料制備，國(guó)產(chǎn)碳纖維有大量工作要做，許多涉及碳纖維材料本身特性問(wèn)題。

不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的性能要求的側(cè)重面不同，一味采用標(biāo)配式碳纖維材料，往往出現(xiàn)“優(yōu)勢(shì)點(diǎn)不足、其余浪費(fèi)”現(xiàn)象。

根據(jù)碳纖維單線產(chǎn)能現(xiàn)實(shí)，年使用量在千噸級(jí)以上的，定制導(dǎo)致成本上漲的因素基本可以消除。

考慮成本與市場(chǎng)等因素，“定制化”工作可以從風(fēng)電領(lǐng)域試點(diǎn)。

④需求牽引式→需求牽引+技術(shù)推進(jìn)。

⑤國(guó)產(chǎn)碳纖維發(fā)展空間（圖9，10）。

圖9 中國(guó)樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料需求-應(yīng)用領(lǐng)域（t）

圖10 2017年全球樹(shù)脂基復(fù)合材料需求-應(yīng)用領(lǐng)域（萬(wàn)t）

（2）滿足國(guó)防應(yīng)用需求的碳纖維高性能化技術(shù)

①繼續(xù)對(duì)標(biāo)成熟的國(guó)際品牌，發(fā)展國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品。

②提高復(fù)合材料的綜合性能。

2013年10 月在美國(guó)的復(fù)合材料展會(huì)上美國(guó)赫氏公司展出了IM10碳纖維實(shí)物，該碳纖維的拉伸強(qiáng)度達(dá)到6.96 GPa、拉伸模量達(dá)310 GPa，并已應(yīng)用于大型客機(jī)等領(lǐng)域，但碳纖維的直徑只有4.4 μm。

2014年3月10 日日本東麗公司在其管網(wǎng)報(bào)道了T1100碳纖維的消息，碳纖維的拉伸強(qiáng)度6.6 GPa，拉伸模量324 GPa，直徑保持在5 μm左右；最新的東麗公司官網(wǎng)已經(jīng)把該款碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高到7.0 GPa，并已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化生產(chǎn)。

2015年《航空情報(bào)》第26期報(bào)道美國(guó)佐治亞理工學(xué)院研制出拉伸強(qiáng)度5.5～5.8 GPa、拉伸模量354～375 GPa的碳纖維，顯示出碳纖維復(fù)合材料向綜合性能均衡提高的發(fā)展趨勢(shì)。

（3）研發(fā)新一代先進(jìn)復(fù)合材料用碳纖維制備技術(shù)（表 2）

表2 第三代先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展對(duì)碳纖維提出前所未有的苛刻要求

（4）顛覆性（新）技術(shù)探索研究

①關(guān)注新技術(shù)苗頭。

從專利申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)分析表明，碳纖維制備過(guò)程中的聚合、紡絲、預(yù)氧化碳化三大部分的專利申請(qǐng)量近幾年快速增長(zhǎng)，特別是聚合工藝，新技術(shù)不斷突破和改進(jìn)，碳纖維制備技術(shù)發(fā)展更加多元化。

2011年，東麗公司遞交了一項(xiàng)涉及PAN系聚合物及其制造方法，表明東麗公司在PAN聚合的共聚單體選擇上可能有了新的研究進(jìn)展和突破，值得業(yè)內(nèi)關(guān)注。

②關(guān)注顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。

顛覆性技術(shù)1：PAN熔融紡絲技術(shù)（圖11）

圖11 PAN熔融紡絲技術(shù)

通過(guò)聚丙烯腈大分子結(jié)構(gòu)修飾或添加合適助劑等化學(xué)、物理方法，降低聚合物分子間的強(qiáng)烈絡(luò)合效應(yīng)，有效消除聚丙烯腈二級(jí)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶性，降低其熔融溫度，實(shí)現(xiàn)熔融紡絲工藝的實(shí)現(xiàn)。

顛覆性技術(shù)2：新型碳纖維前驅(qū)體制備技術(shù)（圖 12）

圖12 新型碳纖維前驅(qū)體制備技術(shù)

合成新型多環(huán)芳香族聚合物，經(jīng)熔融或溶液濕法紡絲獲得纖維，不經(jīng)過(guò)熱穩(wěn)定化處理環(huán)節(jié)直接進(jìn)行高溫碳化，不僅簡(jiǎn)化碳纖維制備工藝，還將獲得一種新型的碳纖維品種。

顛覆性技術(shù) 3：新型熱源技術(shù)

用新型熱源替代傳統(tǒng)的輻射熱源技術(shù)，不僅可提高熱能利用率，在消除纖維皮芯結(jié)構(gòu)差異、提高碳纖維本征性能方面將顯示出效果。

如將等離子體加熱技術(shù)應(yīng)用于聚丙烯腈纖維的預(yù)氧化反應(yīng)、微波感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于聚丙烯腈預(yù)氧纖維的碳化反應(yīng)等。

（5）復(fù)合材料（碳纖維）回收（回用）技術(shù)（圖13）

圖13 碳纖維回收技術(shù)

（6）碳纖維及其復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫(kù)累積

標(biāo)準(zhǔn)化工作，為碳纖維產(chǎn)業(yè)服務(wù)，為復(fù)合材料應(yīng)用服務(wù)（數(shù)據(jù)庫(kù)建立的基礎(chǔ)）。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合實(shí)例介紹了國(guó)內(nèi)碳纖維技術(shù)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,分析了國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)的發(fā)展前景。對(duì)于結(jié)構(gòu)輕量化，碳纖維材料應(yīng)是首選。目前碳纖維應(yīng)用已從航天航空逐步拓展到人類社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。適應(yīng)市場(chǎng)需求，實(shí)施自主創(chuàng)新，對(duì)標(biāo)式技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)向自主品牌創(chuàng)新過(guò)渡，圍繞具有發(fā)展前景的大市場(chǎng)研發(fā)專用碳纖維技術(shù)，充分改良碳纖維的不足，提升碳纖維材料的性價(jià)比，提高復(fù)合材料的綜合性能等，都是國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)發(fā)展需要關(guān)注的問(wèn)題。