我國碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景

靳高嶺

(中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會，北京 100027)

0 引言

碳纖維是一種碳含量在90%以上的纖維材料，有著“輕質(zhì)高強”的性能，比重只有鋼材的五分之一左右，但強度可以達到鋼材的5～7倍，且具備耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特性，是發(fā)展航空航天、新能源、高端裝備制造等高科技產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料，也是制造火箭、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機、海軍艦艇及多種尖端軍事武器中必備關(guān)鍵材料，在國防軍工領(lǐng)域有著不可替代的戰(zhàn)略地位[1-3]。

碳纖維作為軍民兩用關(guān)鍵新材料，多年來，由于發(fā)達國家實行技術(shù)和產(chǎn)品的雙重封鎖，我國一直處于受制于人的狀態(tài)[4]。我國于20世紀70年代開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但因為當(dāng)時制造工藝不成熟、用量少導(dǎo)致成本昂貴。當(dāng)時主要應(yīng)用在軍工[6]等領(lǐng)域。近20年，碳纖維開始在全球制造業(yè)各行業(yè)運用，未來的趨勢是大規(guī)模代替金屬材料。

1 碳纖維行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2005年以來，經(jīng)過政府有關(guān)部門和企業(yè)通力合作，高性能碳纖維國產(chǎn)化取得了突破性進展，在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、核心技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、應(yīng)用拓展和經(jīng)濟效益等方面取得了令人矚目的成就。

在2020年受新冠疫情持續(xù)影響及經(jīng)濟下行沖擊，高性能纖維行業(yè)積極應(yīng)對，抓住國外相關(guān)企業(yè)因疫情影響無法正常生產(chǎn)以及國內(nèi)市場需求增長帶來的機遇，加強科技創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量提升，在技術(shù)水平、應(yīng)用規(guī)模、項目建設(shè)等方面均取得了重大進展。

1.1 技術(shù)水平持續(xù)提升，縮短國內(nèi)外水平差距

我國碳纖維產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由實驗室研發(fā)進入到快速發(fā)展階段。目前已形成了相對穩(wěn)定的碳纖維國產(chǎn)化技術(shù)體系，聚丙烯腈基碳纖維原絲生產(chǎn)工藝體系實現(xiàn)多元化，碳纖維核心技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)化裝備自主能力持續(xù)加強[1]。

蘭州藍星纖維有限公司千噸級NaSCN法50 K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究” 通過技術(shù)成果鑒定，填補了國內(nèi)50 K碳纖維產(chǎn)品的市場空白[7]；中科院寧波材料所成功研制出QM65(M65J級)高強高模碳纖維，纖維拉伸強度和拉伸模量分別高達3 857 MPa、639 GPa。江蘇恒神股份有限公司通過國際權(quán)威認證機構(gòu)DNV·GL頒發(fā)的24 K碳纖維、碳纖維織物和碳纖維拉擠板認證；威海光威復(fù)合材料股份有限公司自主研制的碳纖維復(fù)合材料，已應(yīng)用于AR-500C無人機。這些成果使得我國碳纖維產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平進入國際先進行列，用約15年的時間縮短了與發(fā)達國家30多年的差距。

1.2 產(chǎn)品規(guī)模居世界前列，國產(chǎn)替代進口趨勢明顯

目前，中國大陸碳纖維正在運行的產(chǎn)能約為26 500噸，2019年中國大陸碳纖維產(chǎn)量約為12 000噸，產(chǎn)品可覆蓋高強、高強中模、高模、高強高模型碳纖維(主要品種相當(dāng)于T300級、T700級、T800級、T1000級、M40級、M40J級、M55J級等)，碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量居世界第二位[8]。

表1 2005～2019年我國碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量情況表 單位：噸

在軍民應(yīng)用同步牽引下，國內(nèi)碳纖維應(yīng)用快速增長，2019年國內(nèi)應(yīng)用總量達到37 840.6噸，特別是風(fēng)電葉片用量達到13 800噸，不僅成為拉動我國碳纖維應(yīng)用的主要驅(qū)動力，同時滿足了國際風(fēng)電葉片的使用需求。體育休閑領(lǐng)域用量約14 000噸，建筑補強領(lǐng)域用量約2 000噸，壓力容器用量約1 500噸，民用領(lǐng)域用量逐年增加。

此外，國產(chǎn)碳纖維在航天航空、國防軍工等高端領(lǐng)域用量實現(xiàn)逐步增長。其中國內(nèi)航天航空領(lǐng)域(含軍工)用量約為1 100噸，使用國產(chǎn)碳纖維約300噸，占比提高至27.2%。

2020年碳纖維及制品進口量為30 351.6噸，加工貿(mào)易和一般貿(mào)易分別占58.9%和39.3%，加工貿(mào)易中進料加工占99.8%。日本是最大的進口來源國，進口量為7 531.6噸，同比下降2.1%，占進口總量的24.8%。自中國臺灣進口量為7 299.0噸，同比增長28.8%，占進口總量的24.1%，國產(chǎn)碳纖維已經(jīng)逐漸得到國內(nèi)市場廣泛認可。從表2中數(shù)據(jù)來看，2009～2019年，我國碳纖維(含制品)應(yīng)用總量由7 888.5噸增加到37 840.6噸，其中國產(chǎn)碳纖維用量占比由2009年的12.7%增長至31.7%。碳纖維技術(shù)水平最高的日本、美國等國家進口量占比逐年下降，說明國產(chǎn)碳纖維替代進口已成為必然趨勢。

圖1 2016～2020年碳纖維及制品分國別和地區(qū)進口量變化圖(單位：噸)

表2 2009～2019年我國碳纖維應(yīng)用總量情況表 單位：噸

1.3 經(jīng)濟效益顯著，市場需求明顯

我國碳纖維及其制品的產(chǎn)品性能基本滿足高端應(yīng)用需求[9]。國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打破了日本、美國長期對我國的技術(shù)封鎖和市場壟斷，為我國制造業(yè)核心競爭力提升注入新動力。國內(nèi)市場對碳纖維需求快速增長，市場認可度也在持續(xù)提高，推動國產(chǎn)碳纖維年產(chǎn)量超過萬噸，打破一直以來“有產(chǎn)能沒產(chǎn)量”的被動局面。

中復(fù)神鷹、威海拓展、江蘇恒神、浙江精功等民營企業(yè)憑借靈活的體制機制、豐富的市場競爭經(jīng)驗、深厚的技術(shù)實力，率先實現(xiàn)了千噸級碳纖維的產(chǎn)業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用，打破了國外技術(shù)封鎖壟斷。風(fēng)電葉片成為拉動國內(nèi)碳纖維應(yīng)用的主要驅(qū)動力，航天航空、壓力容器、新能源等領(lǐng)域用量也有一定增長。隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，高質(zhì)量的碳纖維已呈現(xiàn)供不應(yīng)求態(tài)勢。

上海石化在上海新建碳纖維項目已開工，總投資35億元，建設(shè)內(nèi)容包括2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年48 K大絲束碳纖維，計劃2024年全部建設(shè)完成。吉林碳谷啟動二期年產(chǎn)5萬噸碳纖維原絲項目，總投資10億元，擬建成5條大絲束碳纖維原絲生產(chǎn)線，預(yù)計2021年底全面投入運行。吉林化纖啟動了年產(chǎn)1.5萬噸碳纖維項目，計劃總投資24.4億元。蘭州藍星、江蘇恒神等重點企業(yè)也計劃新建碳纖維項目。

鑒于國內(nèi)疫情防控取得明顯成效，經(jīng)濟活力快速恢復(fù)，國內(nèi)對高性能纖維的需求將逐步增加，生產(chǎn)將持續(xù)改善，我國碳纖維行業(yè)逆勢而上，產(chǎn)銷兩旺，業(yè)績保持持續(xù)增長。預(yù)計到2025年，國內(nèi)碳纖維的需求量將達到11萬噸左右。

1.4 多方助力實現(xiàn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展

自2005年起，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)走過了噸級小試線、百噸中試線、千噸產(chǎn)業(yè)化線多個階段，正在步入規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用的新發(fā)展階段，取得了矚目成績。

一方面，國家專項資金支持碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，已累計支持碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化項目百余項，支持范圍覆蓋了碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及制品應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。這奠定了我國碳纖維產(chǎn)業(yè)從無到有、從弱到產(chǎn)業(yè)壯大的發(fā)展基礎(chǔ)，保障了國產(chǎn)碳纖維在國防軍工、民用領(lǐng)域的自主供應(yīng)，為我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大，提高關(guān)鍵材料自主保障能力給予了重要支撐[10]。

另外，行業(yè)組織通過舉行專業(yè)活動搭建服務(wù)平臺。作為連接政府與企業(yè)的橋梁紐帶，一是協(xié)助提供信息，行業(yè)協(xié)會依據(jù)其了解的行業(yè)發(fā)展最新現(xiàn)狀、短板領(lǐng)域、重點企業(yè)以及發(fā)展趨勢等專業(yè)化信息，為政府部門確定政策支持方向、專項支持領(lǐng)域提供支撐；二是專門成立碳纖維行業(yè)分會，加強產(chǎn)業(yè)政策、專項實施解讀，定期召開專業(yè)論壇，搭建我國碳纖維產(chǎn)業(yè)產(chǎn)、學(xué)、研、用的交流合作平臺，進一步凝聚行業(yè)發(fā)展共識，促進國產(chǎn)碳纖維關(guān)鍵技術(shù)突破、上下游合作、應(yīng)用領(lǐng)域拓展，促進科技成果轉(zhuǎn)化，提升我國碳纖維產(chǎn)業(yè)核心競爭力。

2 國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展

我國碳纖維產(chǎn)業(yè)雖然取得明顯進步，但與日本、美國等發(fā)達國家相比還存在一定差距。作為高性能纖維，碳纖維的發(fā)展要切實提升關(guān)鍵核心技術(shù)的創(chuàng)新能力，提高技術(shù)成熟度，提升纖維質(zhì)量一致性、批次穩(wěn)定性、應(yīng)用工藝性，進一步擴大在航天航空、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、安全防護、海洋工程、高速交通、環(huán)境保護等領(lǐng)域應(yīng)用。

此外，產(chǎn)能利用率也需進一步提升。目前我國碳纖維理論產(chǎn)能已超過30 000噸，運行產(chǎn)能約26 500噸，實際產(chǎn)量約12 000噸，產(chǎn)能利用率仍不到50%。在關(guān)鍵輔料和裝備設(shè)施上，用高品質(zhì)上漿劑、油劑等配套材料品種較少，碳纖維復(fù)合材料用樹脂性能有待進一步提高，尚不能完全自主供給，一些關(guān)鍵品種仍依賴進口，制約了碳纖維復(fù)合材料的性能提高，也存在產(chǎn)業(yè)鏈供給風(fēng)險。符合國產(chǎn)碳纖維特點和使用要求的標(biāo)準體系尚未形成，使用規(guī)范、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫等尚未建立，制造與應(yīng)用環(huán)節(jié)銜接不緊密，碳纖維及其復(fù)合材料設(shè)計—評價—驗證能力不足。

因此，要保證碳纖維產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展還需持續(xù)提升產(chǎn)能利用率，加快淘汰落后產(chǎn)能；拓展碳纖維標(biāo)準化工作的深度、廣度及專業(yè)化水平，培養(yǎng)有經(jīng)驗的碳纖維復(fù)合材料設(shè)計人員。在設(shè)計方案、材料選用、制備工藝、實際應(yīng)用等方面，要與下游市場緊密連接，提高我國碳纖維在高端領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，在生產(chǎn)和應(yīng)用等方面取得更多的實質(zhì)性進展，持續(xù)提高我國碳纖維龍頭企業(yè)的綜合競爭力。