碳纖維及其復合材料發(fā)展現(xiàn)狀

齊穎

一、碳纖維及其復合材料基本情況

碳纖維含碳量在95%以上，是一種高強度、高模量的新型纖維材料，因其具有非氧化環(huán)境下耐超高溫、耐疲勞性好、耐腐蝕性好及良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性，被稱為“新材料之王”。碳纖維有多種分類方式，按原料來源，碳纖維分為聚丙烯腈基（PAN）碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；按性能，分為通用型、高強型、中模高強型、高模型和超高模型碳纖維；按狀態(tài)，分為長絲、短纖維和短切纖維；按產(chǎn)品規(guī)格，碳纖維劃分為宇航級（小絲束）和工業(yè)級（大絲束），大絲束碳纖維以民用工業(yè)應用為主，小絲束碳纖維主要應用于國防軍工和高技術，以及體育休閑用品。目前，用量最大的是PAN基碳纖維，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%。PAN碳纖維是一類碳元素質(zhì)量在90%以上的無機纖維狀材料，呈黑色，常規(guī)產(chǎn)品為筒卷裝。

汽車輕量化需求使得碳纖維復合材料在汽車領域的應用日趨廣泛。碳纖維復合材料的應用可使汽車車身減輕質(zhì)量40%～60%，除可減輕質(zhì)量外，因復合材料碰撞時減少了碎片的產(chǎn)生，大大提高了汽車安全性。目前，寶馬公司完成了i3、i8純碳車身之后，正在研發(fā)另一款i系列車型，同時用“CarbonCore”與鋁合金、高強鋼混合使用，將延伸到5系、6系車型。福特汽車、通用汽車、豐田汽車則聚焦在碳纖維在輪轂、剎車系統(tǒng)、傳動軸、內(nèi)外飾等重要零部件的開發(fā)與使用方面。2017年10月，德國超級跑車公司阿波羅發(fā)布了采用全碳纖維底盤的超級跑車，底盤和前后副車架均采用全碳纖維材質(zhì)，前后副車架在內(nèi)的底盤僅重105kg，車身輕量化的設計發(fā)揮到了極致。

風電領域?qū)μ祭w維的需求有所增長。國際的碳纖維葉片制造企業(yè)主要有通用電氣公司（GE）、維斯塔斯公司（VESTAS）、全球風電葉片巨頭LM公司、泰普艾復合材料集團（TPI）以及世界第2大風電葉片生產(chǎn)商巴西科技和先進系統(tǒng)公司（TECSIS），我國主要的葉片制造企業(yè)主要有中材科技股份有限公司、中航惠騰風電設備股份有限公司以及連云港中復連眾復合材料集團有限公司，目前上述企業(yè)均在積極開展碳纖維風電葉片的研究與應用。

碳纖維及其復合材料在飛機等領域也有較好應用。碳纖維與塑料制成的復合材料可用于制造飛機、衛(wèi)星、火箭等宇宙飛行器，不但推力大而且噪音小。商用飛機對碳纖維需求驅(qū)動是巨大的，波音787的主機翼和機身均是碳纖維復合材料和玻璃纖維增強塑料。2017年5月國產(chǎn)C919大型客機首飛，是民用大型客機首次大面積使用碳纖維材料，機身近15%為樹脂基碳纖維材料，而傳統(tǒng)大型客機中碳纖維材料的使用率只有1%左右。

建筑與橋梁的老化趨勢明顯，碳纖維復合材料用于建筑補強的市場也越來越大。國際上正在開展碳纖維增強水泥及碳纖維格柵增強混凝土的研究，新興應用市場還包括深海石油平臺、高速鐵路及油氣管道修補等。

二、碳纖維及其復合材料國際技術和產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及政策分析

1.國際技術和產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

PAN基碳纖維材料的發(fā)展有4個標志性階段。

第1階段是20世紀60年代，突破了PAN基碳纖維的連續(xù)制備技術路線。第2階段是20世紀70年代，實現(xiàn)了強度為3.0GPa左右的T300級碳纖維工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，并推動了碳纖維在國防和工業(yè)領域的應用。第3階段為20世紀80年代，碳纖維發(fā)展取得一系列突破，包括開發(fā)出T800級高強中模型碳纖維，發(fā)展了M40級高模型碳纖維以及開發(fā)了強度為4.9GPa、模量為230GPa的T700級高強型PAN碳纖維并實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。第4階段為20世紀90年代至今，開發(fā)出了M55J為代表的高模高強型碳纖維，以及強度高達7.06GPa的T1000碳纖維。目前，商業(yè)化的具有最高強度的碳纖維是2014年日本東麗公司推出的T1100G碳纖維，其拉伸強度為6.6GPa，拉伸模量為324GPa。日本東麗公司的M70J高強高模型碳纖維，強度為3.5GPa，模量則可達到680GPa，是目前聚丙烯腈基碳纖維產(chǎn)品可達到的最高模量。日本東麗公司為世界上高性能碳纖維研究與生產(chǎn)的“領頭羊”。

全球碳纖維產(chǎn)能區(qū)域分布情況，美國、日本以及中國大陸占據(jù)著碳纖維生產(chǎn)的前三甲位置。目前，國際碳纖維市場依然以日、美企業(yè)為主，日本東麗、帝人以及三菱占據(jù)前三甲的位置，日本作為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國，碳纖維技術、碳纖維生產(chǎn)質(zhì)量和數(shù)量均在國際獨占鰲頭，2015年世界各國碳纖維企業(yè)產(chǎn)能統(tǒng)計如表1所示。小絲束碳纖維市場和大絲束碳纖維市場方面，日本企業(yè)所占有的市場份額分別為全球產(chǎn)能的49%和52%，美國企業(yè)在大絲束碳纖維市場的市場份額占全球產(chǎn)能的24%。2015年碳纖維市場需求量達到92 490t。預計到2020年，全球碳纖維的需求量將達到15萬t左右，年均復合增長率達到13.62%，到2024年全世界總體需求有望達到21.92萬t，復合增長率約為11.38%。

2.國際相關政策分析

（1）日本

日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省于2011年和2013年面向企業(yè)和大學等研究機構(gòu)構(gòu)建了“革新性新結(jié)構(gòu)材料等技術開發(fā)”項目，該項目在日本的“未來開拓研究計劃”下實施，具體內(nèi)容為針對革新鋼板、鋁材、鎂材、鈦材、碳纖維及其復合材料等，進行提升其強度、可加工性、耐腐蝕性等多種功能和降低生產(chǎn)成本的研究。此外，針對這些材料的具體用途，進行必要的接合技術研究。

政府政策引導，包括“能源基本計劃”、“經(jīng)濟成長戰(zhàn)略大綱”、“京都議定書”等積極發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)。

（2）美國

國防預研局在2006年啟動先進結(jié)構(gòu)纖維項目。2016年8月，美國成立了一家由美國橡樹嶺國家實驗室技術支持的新型碳纖維企業(yè)雷蒙德復合材料公司（LeMond Composite），著力生產(chǎn)低成本碳纖維。

（3）歐盟

2011年11月，歐盟就啟動了EUCARBON項目，總投入320萬歐元，項目目標是提升歐洲在航天用碳纖維和預浸漬材料方面的制造能力。2017年5月，該項目已由葡萄牙、西班牙和愛爾蘭的科研團隊共同完成，并成功建立了歐洲第1條面向衛(wèi)星等航天領域應用的特種碳纖維生產(chǎn)線。

（4）韓國

韓國希望通過發(fā)展本國碳纖維龍頭企業(yè)曉星公司，打造其成為碳纖維的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聚集地，形成碳纖維材料產(chǎn)業(yè)集群，促進創(chuàng)意經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。

三、碳纖維及其復合材料國內(nèi)技術和產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及政策分析

1.國內(nèi)技術和產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

碳纖維作為先進國防武器裝備以及新型衛(wèi)星、飛船等國防高技術重要的基礎性原材料，在能源、建筑、交通運輸、海洋工程等國民經(jīng)濟重大工程領域有著廣泛應用前景，因此越來越受到我國政府及科研機構(gòu)和企業(yè)的關注。碳纖維作為國家“十三五”期間戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點之一，已成為國家安全和國防建設不可替代的戰(zhàn)略材料，是《中國制造2025》提出的諸多重點領域發(fā)展的物質(zhì)基礎，大力開展碳纖維材料技術研究與產(chǎn)業(yè)應用是增強我國綜合國力的重大工程，是轉(zhuǎn)型期推進制造強國戰(zhàn)略的重要支撐。

我國從20世紀中期開始研發(fā)PAN基碳纖維材料，中國科學院山西煤炭化學研究所、中國科學院化學研究所和中國科學院長春應用化學研究所以及北京化工大學是最早從事碳纖維研發(fā)的科研機構(gòu)。但是因當時的工藝基礎薄弱、裝備技術落后，那時我國生產(chǎn)的碳纖維質(zhì)量低下、性能穩(wěn)定性差，國產(chǎn)化技術水平很低。20世紀末，北京化工大學研發(fā)出二甲基亞砜制備PAN原絲工藝路線，確立了中國高性能碳纖維制備的國產(chǎn)化技術方向；2002年第1條二甲基亞砜原絲工程化線在中國石油吉林石化公司建成，中國開始了PAN碳纖維制備技術的轉(zhuǎn)型升級；2009年2月，中國大陸第1條千噸級生產(chǎn)線在威海拓展纖維有限公司通過驗收，開啟了中國PAN碳纖維的產(chǎn)業(yè)化進程；到2014年末，中國從事碳纖維生產(chǎn)的企業(yè)已經(jīng)注冊30多家，有25家建成了碳纖維或原絲生產(chǎn)線，統(tǒng)計的碳纖維理論產(chǎn)能達到14 000t/a左右。其中有吉林化纖股份有限公司采用二甲基乙酰胺二步法工藝專業(yè)生產(chǎn)碳纖維原絲，形成了5 000t生產(chǎn)能力，產(chǎn)品規(guī)格由常規(guī)的小絲束向24K及以上的大絲束拓展；9家企業(yè)專業(yè)開展PAN原絲的預氧化碳化，形成了1 900t的年生產(chǎn)能力；更有15家企業(yè)建設了具備原絲與碳纖維制備完整產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)能力，生產(chǎn)能力超過萬噸，部分企業(yè)建立起千噸級規(guī)模、原絲與碳纖維配套的碳纖維生產(chǎn)能力，已經(jīng)歷了千噸級產(chǎn)業(yè)化的建設歷程，其他企業(yè)尚未真正進入碳纖維的產(chǎn)業(yè)化建設。

2016年2月，哈爾濱天順化工科技開發(fā)有限公司完成“T700級碳纖維碳化中試生產(chǎn)線及工藝研究”，該項具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的碳纖維生產(chǎn)工藝及裝備技術達到國際先進水平，產(chǎn)品可替代進口。2016年5月，中復神鷹碳纖維有限責任公司千噸級T800原絲生產(chǎn)線投產(chǎn)，2016年6月北京特米納特科技發(fā)展有限公司成立，瀝青基超高模量碳纖維試產(chǎn)，2016年8月中安信科技有限公司碳纖維項目投產(chǎn)，一期項目預計年產(chǎn)5 000t原絲、1 700t碳絲。2016年9月，中國航天科工集團研發(fā)的固體運載火箭以及發(fā)動機地面試車圓滿成功，代表著國產(chǎn)碳纖維復合材料在該領域的突破，是國內(nèi)應用碳纖維復合殼體技術尺寸最大、裝藥量最多的固體火箭發(fā)動機。2016年10月吉林化纖股份有限公司大絲束碳纖維項目開工，項目總投資18億元，最終設計年產(chǎn)能力為1.2萬t。目前，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)主要聚集在山東、江蘇和吉林等地，中國具備碳纖維（或原絲）產(chǎn)品的企業(yè)主要有威海拓展纖維有限公司、江蘇恒神股份有限公司、江蘇航科復合材料科技有限公司、中復神鷹碳纖維有限責任公司、中國石油吉林石化公司、吉林化纖股份有限公司、中鋼集團吉林炭素股份有限公司、吉林市吉研高科技纖維有限責任公司、山西鋼科碳材料有限公司、西安康本材料有限公司、中安信科技有限公司、浙江精工集團有限公司、邯鄲市硅谷新材料有限公司、永煤集團、中國石化上海石油化工股份有限公司等。2016年中復神鷹碳纖維有限責任公司和江蘇恒神股份有限公司的碳纖維產(chǎn)能均達到4500t以上。目前我國生產(chǎn)的碳纖維大部分為小絲束，其中12K占比超過90%，其他如1K、3K、6K等略有產(chǎn)量。此外，我國在碳纖維復合材料的成型加工能力方面也有所突破，領頭企業(yè)如中國航空工業(yè)集團公司、中航復合材料有限責任公司、中復神鷹碳纖維有限責任公司、江蘇恒神股份有限公司等，并在航空以及汽車領域均有擴展。

2.我國碳纖維及其復合材料相關政策

2013年10月，國家工業(yè)和信息化部發(fā)布的《加快推進碳纖維行業(yè)發(fā)展行動計劃》提出，到2020年我國碳纖維技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化能力和綜合競爭能力達到國際水平，碳纖維品種基本滿足國民經(jīng)濟和國防科技工業(yè)的需求，該項計劃的提出對我國碳纖維的發(fā)展具有重要的促進作用；2015年《中國制造2025》明確選擇航空航天裝備等10大優(yōu)勢和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)作為突破點，碳纖維材料在這些領域中均有應用；2016年《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》），提出在碳纖維復合材料等領域開展協(xié)同應用試點示范。2017年4月發(fā)布《“十三五”材料領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》，重點提出了發(fā)展高性能碳纖維材料。

四、北京碳纖維及其復合材料基礎和優(yōu)勢

1.優(yōu)勢團隊

北京在碳纖維基礎技術研究方面較有優(yōu)勢，聚集了徐樑華、楊小平、徐堅和岳清瑞等一批專注于碳纖維技術與應用研究的專家學者。其中，北京化工大學材料學院徐樑華教授長期致力于高強型PAN基碳纖維及原絲技術研究以及纖維增強復合材料研究，在國內(nèi)首先研發(fā)成功T300級PAN碳纖維原絲技術，并在國內(nèi)首先成功研發(fā)濕法紡絲制備T700級PAN碳纖維原絲技術，徐樑華的PAN碳纖維及原絲研究技術居國內(nèi)領先水平。北京化工大學材料學院的楊小平教授，研究方向包括碳纖維纏繞復合材料的樹脂基體及發(fā)動機殼體應用，高性能樹脂的合成、改性及固化反應機理PAN原絲及其預氧化炭化過程表征測試，以及納米纖維、電紡絲制備PAN基納米碳纖維。中國科學院化學研究所徐堅研究員主要開展PAN碳纖維技術研究以及碳纖維復合材料的應用關鍵技術研究。中冶集團建筑研究總院院長岳清瑞院士目前主要研究方向是碳纖維及其復合材料在土木建筑領域應用。

2.優(yōu)勢機構(gòu)與企業(yè)

（1）北京化工大學

國家碳纖維工程技術研究中心（以下簡稱“中心”）是經(jīng)國家科技部批準組建的國內(nèi)唯一集高性能碳纖維科學基礎研究、關鍵制備技術研發(fā)和工程化、產(chǎn)業(yè)化技術研究為一體的產(chǎn)學研聯(lián)合體，由北京化工大學和中國石油吉林石化公司聯(lián)合組建，引領中國的碳纖維技術發(fā)展趨勢。中心提出了濕法紡絲研制高強、高強中模碳纖維原絲的技術方案，經(jīng)過多年的不懈努力，技術攻關取得突破，填補了我國高強、高強中模碳纖維制備技術的空白。在高模量碳纖維制備技術研究方面，中心在國內(nèi)率先實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化制備；積極發(fā)展瀝青基碳纖維技術，在國內(nèi)率先研制出中間相連續(xù)瀝青基碳纖維、瀝青基中空碳纖維等特殊碳纖維制備技術。

（2）中航復材

中航復材具備復合材料預浸料、蜂窩的工程化生產(chǎn)能力，主要開展高性能樹脂基等高端技術開發(fā)和工程化研究，為航空飛行器的發(fā)展提供技術支持、生產(chǎn)服務和驗證平臺，并開展復合材料技術在汽車工業(yè)、高速鐵路、電纜、橋梁等行業(yè)的工程應用和產(chǎn)業(yè)化。目前，中航復材擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的復合材料數(shù)據(jù)庫，并擁有國內(nèi)最多的復合材料樹脂牌號/預浸料牌號。

該公司技術主要依托北京航空材料研究院先進復合材料國防重點實驗室和結(jié)構(gòu)性碳纖維復合材料國家工程實驗室，已經(jīng)在樹脂基復合材料產(chǎn)品的數(shù)字化、自動化和整體化結(jié)構(gòu)、低成本工藝等設計制造技術，材料表征與測試技術，無損檢測技術，航空特殊構(gòu)件研制等方面處于國內(nèi)領先水平。

（3）北京航天合眾科技公司

北京航天合眾科技公司（以下簡稱“航天合眾”）成功自主研制了碳纖維航空座椅。目前，航天合眾公司已研制出十余個型號產(chǎn)品，其中2個型號于2016年開始小批量生產(chǎn)，另一產(chǎn)品目前已進入大批量生產(chǎn)階段，其他型號也將陸續(xù)進入批產(chǎn)階段。

（4）中國航天科技集團公司一院703所

中國航天科技集團公司一院703所主要開展小絲束T300級碳纖維工程化制備、評價表征及工程應用等核心技術研發(fā)，形成了穩(wěn)定的小絲束碳纖維生產(chǎn)能力，實現(xiàn)了航天型號用T300碳纖維的全面自主保障，對我國碳纖維材料在航空航天的應用具有重要意義。

（5）北京納盛通新材料科技有限公司

北京納盛通新材料科技有限公司主要從事碳纖維復合材料研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。公司長期從事長碳纖維熱塑性復合材料電動汽車輪轂研究，以及碳纖維熱塑性復合材料鐵路氣動閥研究。

五、北京發(fā)展碳纖維及其復合材料對策建議

1.加強碳纖維基礎研究

碳纖維制備過程中關鍵科學問題的探明是技術成熟的基礎，目前，我國與碳纖維制備和應用相關的若干關鍵科學問題尚不清楚，嚴重制約了我國碳纖維制備工程化和產(chǎn)業(yè)化技術發(fā)展。如不同溶劑體系對纖維性能的影響機理；共聚單體對于預氧化過程的結(jié)構(gòu)調(diào)控作用；預氧化過程纖維結(jié)構(gòu)的遺傳、轉(zhuǎn)變與控制；碳化過程和纖維結(jié)構(gòu)強度斷裂物理之間的內(nèi)在聯(lián)系等一系列重大科學問題仍需要深入的研究和探明。北京在碳纖維基礎研究方面具有雄厚的基礎，并擁有全國領先的基礎研究人才，因此，建議鼓勵在京高校和科研院所加強在碳纖維基礎研究方面的投入，占領全國碳纖維基礎研究工作的制高點及原始技術策源地。

2.加大裝備配套開發(fā)投入，推動高端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化

目前我國碳纖維產(chǎn)品低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，高端產(chǎn)業(yè)化進度遲緩。當前我國只有T300級產(chǎn)品和少量的T700級產(chǎn)品，在高強中模和高模碳纖維方面還只停留在試驗和試生產(chǎn)階段，還沒有成熟的產(chǎn)品面向市場。碳纖維對裝備的依賴程度較高，受設備限制，極大多數(shù)企業(yè)只能提供單一品種規(guī)格的碳纖維，國內(nèi)碳纖維技術的落后在一定程度上也是裝備水平低的結(jié)果，極大影響了高端碳纖維產(chǎn)品的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。因此，在國家各類重大專項的布局上，可重點加大裝備配套開發(fā)的支持力度和投入，對接國家“科技創(chuàng)新2030重大專項”以及北京全國科技創(chuàng)新中心建設，爭取碳纖維及其復合材料項目落戶北京。

3.成立碳纖維及其復合材料上下游全產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟

借助北京在碳纖維及其復合材料領域的研究優(yōu)勢及人才優(yōu)勢，以及北京匯聚各方資源的有利條件，建議在京成立碳纖維及其復合材料上下游全產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟。聯(lián)盟成員將由碳纖維及其復合材料全產(chǎn)業(yè)鏈的上下游科研單位、企業(yè)組成，有別于目前國內(nèi)廣泛存在的同領域成員組成的聯(lián)盟模式，產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)盟有利于目標一致、減少競爭、利益共享。成員可包括上游的碳纖維及其復合材料基礎及應用研究單位，中游的碳纖維及其復合材料生產(chǎn)企業(yè)，以及下游的汽車、風電葉片、航空航天天等最終用戶使用單位。形成利益捆綁，鏈條式產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，有益于碳纖維及其復合材料整體推進。

4.加大碳纖維領域人才培養(yǎng)與引進力度

目前，航空、國防應用是碳纖維發(fā)展的最大動力，因此隨著我國在上述領域的發(fā)展，必將帶動碳纖維技術與產(chǎn)業(yè)的追趕，但是目前我國真正從事碳纖維領域研究的團隊不多，因此借助北京高校、科研院所眾多的資源優(yōu)勢，加強持續(xù)的人才培養(yǎng)，并積極引進高端人才。