國內(nèi)外碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張定金 陳虹 張婧

自20世紀(jì)60年代碳纖維首次商業(yè)化以來，碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品品質(zhì)不斷提高，2014年全球碳纖維產(chǎn)能（365天連續(xù)生產(chǎn)12K/24K碳纖維絲束計(jì)算）已達(dá)到12.6萬t。盡管碳纖維與傳統(tǒng)的玻璃纖維在價(jià)格上仍不能相比，但高性能碳纖維以其高比強(qiáng)度、高模量、可設(shè)計(jì)、防腐蝕和抗疲勞等突出特點(diǎn)，具有玻璃纖維所不能比擬的優(yōu)勢，已成為發(fā)展先進(jìn)武器裝備的關(guān)鍵材料，并在航空航天、國防軍工、風(fēng)能產(chǎn)業(yè)、土木工程、體育休閑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

當(dāng)前，國際復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢，據(jù)估計(jì)，未來5年先進(jìn)復(fù)合材料將以每年5%的增速發(fā)展，而隨著民用航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，全球高性能碳纖維需求量的年增幅可達(dá)10%，亞太地區(qū)將會(huì)有更高的增長率，即碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)將面臨前所未有的發(fā)展空間和機(jī)遇。

因此，在目前碳纖維產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，更應(yīng)該認(rèn)清國際碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢、對照國外先進(jìn)企業(yè)找差距找問題，通過理性思考尋求解決途徑，適時(shí)把握發(fā)展機(jī)遇，落實(shí)行動(dòng)、注重實(shí)效，努力推進(jìn)國內(nèi)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

一、國外碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.產(chǎn)業(yè)方面

根據(jù)前軀體原料的不同，碳纖維可分為聚丙烯腈基（PAN）、瀝青基和粘膠基碳纖維等。由于粘膠基碳纖維在制備過程中會(huì)釋放出毒性物質(zhì)二硫化碳，且工藝流程長、生產(chǎn)成本高、整體性能不高，因此目前在國際碳纖維產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，前2種碳纖維獲得了更大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用。其中，PAN基碳纖維又占據(jù)絕對優(yōu)勢，國際市場占有率超過90%。PAN基碳纖維的9大生產(chǎn)商包括：日本東麗工業(yè)株式會(huì)社（以下簡稱“東麗”）、日本東邦化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社（以下簡稱“東邦”）、日本三菱麗陽株式會(huì)社（以下簡稱“三菱麗陽”）、美國赫氏有限公司（Hexcel）、美國氰特工業(yè)公司（Cytec）、美國卓爾泰克公司（Zoltek，已被東麗收購）、臺(tái)灣塑料工業(yè)股份有限公司（以下簡稱“臺(tái)塑”）、土耳其阿克薩集團(tuán)（AKSA）和德國西格里碳素集團(tuán)（SGL）。瀝青基碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用居其次，主要生產(chǎn)企業(yè)3家，分別是Cytec、三菱麗陽和東麗。

PAN基碳纖維分為小絲束（1～24K）和大絲束（36K及以上）2類。全球小絲束碳纖維市場主要被東麗、東邦、三菱麗陽3家公司所壟斷，而來自中國、土耳其和韓國的企業(yè)，正不斷擴(kuò)充小絲束的全球產(chǎn)能，同時(shí)也降低了3家日本公司的市場份額。

大絲束碳纖維生產(chǎn)商主要有Zoltek、SGL和三菱麗陽3家。另外，中國藍(lán)星（集團(tuán)）總公司英國分公司擁有大絲束碳纖維原絲的供應(yīng)能力，Cytec于2014年與德國Dormagen的腈綸纖維生產(chǎn)商DralonGmbH公司合作開展低成本大絲束碳纖維的研制開發(fā)。預(yù)計(jì)在未來10年中，其他制造商也會(huì)陸續(xù)加入大絲束碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域。

為滿足高速發(fā)展的航空航天與汽車市場對碳纖維的需要，幾乎所有的碳纖維巨頭都宣布了擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。例如，東麗擁有以日本本土為核心的日美法韓4個(gè)生產(chǎn)基地，目前已形成11 000～12 000t/a的T700S和4 500t/a的T800碳纖維生產(chǎn)能力，并宣布PAN基碳纖維的總產(chǎn)能于2015年達(dá)到27 100t，2020年擴(kuò)大至50 000t。另外，Hexcel在歐洲大幅度擴(kuò)產(chǎn)，三菱在美國與本土擴(kuò)產(chǎn)，Cytec已經(jīng)基本完成美國的雙倍產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，SGL也在美國接連擴(kuò)產(chǎn)。各企業(yè)的碳纖維生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)了全球布局，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從原絲到下游復(fù)合材料制品的全產(chǎn)業(yè)鏈一體化協(xié)調(diào)發(fā)展奠定了硬件基礎(chǔ)。

2.技術(shù)方面

目前，國外高強(qiáng)、高強(qiáng)中模碳纖維的產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)成熟，規(guī)?；⒆詣?dòng)化程度高，關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在日、美等國手中。其中，東麗憑借其強(qiáng)大實(shí)力研制并形成了包括T300、T700、T800、T1000等在內(nèi)的高強(qiáng)系列和包括M35J、M40、M40J、M55J、M60J、M70J等在內(nèi)的高模和高模高強(qiáng)系列產(chǎn)品，一直占領(lǐng)著碳纖維技術(shù)的制高點(diǎn)，令對手望其項(xiàng)背。美國Hexcel經(jīng)過多年的研究，在IM9高強(qiáng)中模碳纖維基礎(chǔ)上，研制出IM10碳纖維，主要力學(xué)性能超過日本東麗T1000，并成功應(yīng)用于大型客機(jī)。IM10推出2年半后的2014年初，東麗宣布推出T1100碳纖維，重新奪回碳纖維技術(shù)的領(lǐng)先地位。

目前，低成本技術(shù)已成為碳纖維及其復(fù)合材料發(fā)展的迫切需求和重要趨勢。為了進(jìn)一步推進(jìn)行業(yè)的快速發(fā)展，國外各碳纖維生產(chǎn)商正開展碳纖維產(chǎn)品規(guī)?；⒎€(wěn)定化和低成本化生產(chǎn)技術(shù)方面的研究。

二、國內(nèi)碳纖維行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀

在國家科技和產(chǎn)業(yè)化示范計(jì)劃支持下，近10年來我國碳纖維制備與應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從“無”到“有”的轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)了前所未有的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)高潮，初步建立起國產(chǎn)碳纖維制備技術(shù)研發(fā)、工程實(shí)踐和產(chǎn)業(yè)建設(shè)的較完整體系，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展速度明顯加快，有效緩解了國防建設(shè)重大工程對國產(chǎn)高性能碳纖維的迫切需求，部分型號(hào)用碳纖維及其復(fù)合材料的國產(chǎn)化自主保障問題基本解決。

目前，T300級碳纖維已實(shí)現(xiàn)千噸級產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品成功應(yīng)用于航空航天和武器裝備，民用市場正在推廣；T700級碳纖維千噸級生產(chǎn)線已經(jīng)建成，產(chǎn)品進(jìn)入應(yīng)用考核；國產(chǎn)T800級高強(qiáng)中模碳纖維噸級線建成并已批量生產(chǎn)；高模及高模高強(qiáng)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化仍為空白，其工程化制備關(guān)鍵技術(shù)急需突破；更高等級的高強(qiáng)中模和高強(qiáng)高模碳纖維制備關(guān)鍵技術(shù)亟待攻關(guān)。

截至2014年底，我國已擁有碳纖維生產(chǎn)企業(yè)近40家，理論設(shè)計(jì)總產(chǎn)能達(dá)到1.96萬t。已建成6條千噸產(chǎn)能（含配套的原絲生產(chǎn)能力）、7條500t產(chǎn)能的碳纖維生產(chǎn)線（含配套的原絲生產(chǎn)能力），擁有千噸級以上規(guī)模生產(chǎn)線的企業(yè)4家，五百噸級的企業(yè)（或企業(yè)聯(lián)合體）5家，主體產(chǎn)品為12K及以下的小絲束PAN基碳纖維。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年以來，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)量逐年增加，從2007年的約200t，增加到2014年的約2 600t，但產(chǎn)能釋放能力弱的問題依然非常突出，2014年的碳纖維實(shí)際產(chǎn)量不足設(shè)計(jì)產(chǎn)能的20%。一方面，我國碳纖維企業(yè)普遍開工不足、設(shè)備閑置、產(chǎn)能浪費(fèi)，生產(chǎn)成本居高不下；另一方面，受國際碳纖維行業(yè)巨頭的蓄意壓制，碳纖維售價(jià)一跌再跌，甚至跌至成本以下，碳纖維企業(yè)面臨著生產(chǎn)越多虧損越多的局面。目前，我國碳纖維企業(yè)長期面對“內(nèi)憂外患”困擾，幾乎全部處于虧損狀態(tài)，大部分企業(yè)只能減產(chǎn)甚至停產(chǎn)，生存狀況不容樂觀。

3.能源領(lǐng)域

隨著風(fēng)電葉片大型化的不斷推進(jìn)，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也越來越多。國外風(fēng)電葉片制造商早已在大型葉片的制造中規(guī)?；褂昧颂祭w維，同時(shí)碳纖維葉片的制造也真正實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈的共同進(jìn)步。碳纖維制造領(lǐng)域，東麗、Zoltek等企業(yè)，針對風(fēng)能市場的特殊需求紛紛推出專用的碳纖維產(chǎn)品，如24K T620s和50K Panex 35；中間制品領(lǐng)域，Gurit、Hexcel、ACG等中間產(chǎn)品制造商開發(fā)了葉片專用碳纖維預(yù)浸料，如SparPregTM、HextoolTM和DformTM；在葉片成型工藝方面，除了改良的預(yù)浸料技術(shù)——低壓中溫預(yù)浸料真空袋法，還開發(fā)了新型真空導(dǎo)入成型技術(shù)——液體成型工藝。目前，國外至少有6家大型風(fēng)電企業(yè)正在采用碳纖維復(fù)合材料或碳纖維/玻璃纖維混雜復(fù)合材料生產(chǎn)大型或特大型風(fēng)機(jī)葉片，其中起步較早、技術(shù)較成熟、應(yīng)用較多的是丹麥Vestas、美國GE和西班牙Gamesa等公司。

國內(nèi)目前僅有連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中復(fù)連眾”）和中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司（以下簡稱“中材葉片”）實(shí)現(xiàn)碳纖維在風(fēng)電葉片中的規(guī)?；瘧?yīng)用。其中，中復(fù)連眾自2009年開始碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片上的應(yīng)用研究，并于2012、2013年分別實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口和國產(chǎn)碳纖維主梁在75m/6MW葉片上的應(yīng)用，同時(shí)完成了葉片的全尺寸靜力和頻率測試，目前正在準(zhǔn)備掛機(jī)。中復(fù)連眾同期開展了風(fēng)機(jī)葉片用國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料理化性能、力學(xué)性能、工藝性能方面的研究，探索出國產(chǎn)碳纖維應(yīng)用的設(shè)計(jì)要求和制造工藝，為推動(dòng)國產(chǎn)碳纖維在大型風(fēng)機(jī)葉片領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。中材葉片于2011年在Sinoma 56m/3.6MW葉片的主梁上首次采用碳纖維預(yù)浸料，試制生產(chǎn)的56m碳纖維葉片順利通過了靜力實(shí)驗(yàn)，隨后成功生產(chǎn)了22套56m/3.6MW風(fēng)電葉片出口美國。

總體上講，國內(nèi)碳纖維在風(fēng)電葉片上的規(guī)?；瘧?yīng)用尚處于嘗試階段，葉片的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證、長期安全性驗(yàn)證等問題都沒有形成完善的解決方案?，F(xiàn)階段碳纖維的供應(yīng)主要來源于國外公司，以碳纖維預(yù)浸料為主，供應(yīng)渠道受限，也是影響國產(chǎn)碳纖維規(guī)?；瘧?yīng)用的另一主要原因，因此有必要繼續(xù)開展國產(chǎn)碳纖維在大型風(fēng)電葉片上的應(yīng)用研究。

4.體育休閑領(lǐng)域

體育休閑領(lǐng)域是碳纖維復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維在該領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在高爾夫球棒、釣魚桿和球拍3個(gè)產(chǎn)品類型。近年來，自行車、去混球桿、滑雪桿等新興產(chǎn)品的碳纖維用量也在不斷增長。

我國在20世紀(jì)80年代初開始研制碳纖維復(fù)合材料體育運(yùn)動(dòng)器材，目前已與美國、日本和中國臺(tái)灣并列成為高爾夫球棒的主要產(chǎn)地。另外，釣魚竿、網(wǎng)球拍、魚線輪、網(wǎng)球拍、羽毛球拍、自行車架等產(chǎn)品也是碳纖維在我國的主要用途。

5.碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線領(lǐng)域

碳纖維在電力輸送領(lǐng)域的研究起步于20世紀(jì)90年代，2002年，美國CTC公司開發(fā)出碳纖維復(fù)合材料芯棒之后才開始規(guī)模化應(yīng)用。目前，美國CTC公司的整體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平，但歐洲、亞洲、南美洲的20多個(gè)國家、200余條新建和改造線路中也都開展了碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的應(yīng)用，掛網(wǎng)總長度超過7 000km（架設(shè)導(dǎo)線總長約為20 000km），電壓等級覆蓋了13.6k～550kV。

我國碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線整體技術(shù)水平與國外相當(dāng)。2007年，遠(yuǎn)東電纜有限公司、河北硅谷化工有限公司、連云港中復(fù)連眾復(fù)合材料集團(tuán)有限公司等企業(yè)開始自主研制碳纖維復(fù)合芯及導(dǎo)線。目前，國內(nèi)碳纖維復(fù)合芯及導(dǎo)線生產(chǎn)廠家接近20家（已有供貨業(yè)績的有5家），國內(nèi)年預(yù)期產(chǎn)能超過50 000km。各主要生產(chǎn)廠家制備的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線技術(shù)指標(biāo)均滿足碳纖維復(fù)合芯架空導(dǎo)線技術(shù)要求并已通過所有型式試驗(yàn)驗(yàn)證，技術(shù)性能已達(dá)到國外同類型產(chǎn)品的技術(shù)水平。

國內(nèi)外復(fù)合芯制造廠家采用日本東麗或東邦T700級碳纖維，T700級碳纖維作為復(fù)合芯關(guān)鍵材料，供應(yīng)及價(jià)格一直受制于日本，高昂的碳纖維價(jià)格是限制復(fù)合芯導(dǎo)線大范圍推廣的主要原因。

2014年7月，中復(fù)碳芯將中復(fù)神鷹T700級碳纖維SYT45試用于碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，并在常州35kV鄒區(qū)線上成功掛網(wǎng)，運(yùn)行良好。國產(chǎn)碳纖維在復(fù)合芯導(dǎo)線的實(shí)際應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展。

6.車用碳纖維復(fù)合材料

在各國政府的大力支持下，國外各大碳纖維制造商紛紛與汽車巨頭聯(lián)手，發(fā)展汽車用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)，已經(jīng)形成“碳纖維、復(fù)合材料供應(yīng)商+零部件供應(yīng)商+主機(jī)廠”的聯(lián)盟式產(chǎn)業(yè)化布局，并突破了車用碳纖維復(fù)合材料零部件及車體的規(guī)模化、自動(dòng)化制造技術(shù)。最成功的實(shí)施案例是德國寶馬的i3電動(dòng)概念車，寶馬公司為這款車型建立了一條包括碳纖維原絲、碳絲、編織布、復(fù)合材料零部件、主機(jī)裝配等各環(huán)節(jié)的碳纖維復(fù)合材料車身產(chǎn)業(yè)鏈，日產(chǎn)量可達(dá)100輛。另外，日本東麗研發(fā)出“TEE WAVE AR1”電動(dòng)汽車，共用碳纖維復(fù)合材料160kg，碳纖維車身成型周期10min/套。日本東邦與豐田合作成立“復(fù)合材料創(chuàng)新中心”生產(chǎn)LEA跑車。美國特斯拉公司推出全球首款Roadster純電動(dòng)跑車，整車質(zhì)量為1 200kg，采用碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料車身，成型周期為20min/套，年生產(chǎn)量為1 500輛左右。

總的看來，國外在碳纖維復(fù)合材料汽車輕量化產(chǎn)業(yè)方面已經(jīng)初具規(guī)模，處于復(fù)合材料發(fā)展技術(shù)的前沿，主要核心制造技術(shù)掌握在少數(shù)幾個(gè)大公司手中，發(fā)展已呈現(xiàn)逐步加快的趨勢。

而目前，我國碳纖維復(fù)合材料在汽車工業(yè)中年用量比例還很小，應(yīng)用較為成熟的技術(shù)大部分集中在非連續(xù)纖維復(fù)合材料成型工藝上。在連續(xù)纖維復(fù)合材料的快速成型技術(shù)方面，重點(diǎn)突破了以熱塑性復(fù)合材料快速熱壓成型和快速樹脂流動(dòng)成型為代表的低成本連續(xù)碳纖維復(fù)合材料部件制造關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了部分裝備的連續(xù)化自動(dòng)化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維復(fù)合材料片材、板材及部分部件的連續(xù)自動(dòng)化制備，初步建立了車用復(fù)合材料部件生產(chǎn)示范線。但是，由于缺乏與國產(chǎn)碳纖維匹配、滿足汽車生產(chǎn)節(jié)拍的快速固化樹脂，尚未形成研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、裝備、檢測、應(yīng)用評價(jià)與推廣應(yīng)用一條龍產(chǎn)業(yè)鏈，同時(shí)碳纖維復(fù)合材料部件及整車驗(yàn)證、裝配技術(shù)、質(zhì)量控制等方面與國外差距巨大，急需進(jìn)行進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)。

另外，隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，諸如碳纖維連續(xù)抽油桿、新型儲(chǔ)能電池、采油鉆井平臺(tái)等新興應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量也在不斷擴(kuò)大，碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展前景一片大好。

四、結(jié)語

綜上所述，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)正處在高速發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，在蓬勃發(fā)展的國際碳纖維產(chǎn)業(yè)大背景下，我國在重大工程、一般工業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴祭w維產(chǎn)品也提出了迫切的需求。國內(nèi)碳纖維企業(yè)應(yīng)進(jìn)一步明確自身的創(chuàng)新主體地位，面向國防軍工、民用航空、人造衛(wèi)星等航空航天高端裝備制造業(yè)，建筑補(bǔ)強(qiáng)、海洋工程、石油勘探等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級領(lǐng)域，以及新能源汽車等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，分階段逐步開展不同品系碳纖維產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、成本質(zhì)量控制、工業(yè)應(yīng)用示范和重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用評價(jià)，開發(fā)出符合我國實(shí)際應(yīng)用需要的高性能、高穩(wěn)定性、規(guī)模化、低成本生產(chǎn)技術(shù)和多品系碳纖維產(chǎn)品，真正實(shí)現(xiàn)我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。國內(nèi)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，任重道遠(yuǎn)。