日本碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展及現(xiàn)狀

徐愛武

（連云港市纖維檢驗中心，江蘇 連云港 222047）

1 碳纖維簡介

碳纖維是由有機纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈結構，含碳量超過90%的無機纖維[1]。碳纖維質量較輕，外柔內剛，具有密度低、強度高、模量高、抗疲勞、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、導熱、導電、良好的電磁屏蔽以及較低的熱膨脹系數(shù)等諸多的優(yōu)良性能，同時其外形有顯著各向異性、柔軟及可加工成各種織物，是一種新型高性能纖維材料，能夠以復合材料的形式極大減輕構件重量，提高其多項技術性能，尤其受到軍工兵器、軍用飛機等軍工行業(yè)的極大青睞，同時在追求提高燃效、延長電動汽車續(xù)航里程為目標的汽車領域，碳纖維需求也在全球呈擴大之勢，在燃料電池車的氫燃料罐及加氫站的貯氫罐方面，碳纖維也將得到廣泛應用，在其他如航空航天、風力發(fā)電、工程機械、交通設施、建筑補強等諸多領域也有著廣泛的應用，尤其是航空航天飛機需要面對各種復雜惡劣的天氣環(huán)境，因此他們對碳纖維及其復合材料的各項性能要求比汽車和其他一般行業(yè)更高，也更加迫切。因為其良好性能及廣泛用途，碳纖維被稱為21世紀的“黑色黃金”。世界上目前用于制備碳纖維的前驅體很多，如黏膠纖維、瀝青、聚丙烯腈（PAN）、聚酰亞胺、聚苯并噻唑等，但目前為止，能達到工業(yè)規(guī)模的僅有PAN基碳纖維、黏膠基碳纖維和瀝青基碳纖維三種,尤其是PAN基碳纖維占據(jù)主要地位。

2 世界碳纖維產(chǎn)業(yè)格局

世界碳纖維的生產(chǎn)主要集中在日本、美國等少數(shù)發(fā)達國家，目前世界上PAN基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)主要有八家，其中日本三家：東麗工業(yè)株式會社（以下簡稱“東麗”）、日本三菱麗陽株式會社（以下簡稱“三菱麗陽”）和日本東邦化學工業(yè)株式會社（以下簡稱“東邦”），日本是全球最大的碳纖維生產(chǎn)國，其三大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)合計擁有全球PAN基碳纖維50%以上的市場份額；美國兩家：赫氏有限公司、美國氰特工業(yè)公司，美國也是世界上少數(shù)掌握碳纖維生產(chǎn)技術的國家之一，同時又是世界上最大PAN基碳纖維消費國，其消費量約占世界消費總量的三分之一；其他有土耳其一家：阿克薩集團，德國一家：德國西格里碳素集團以及中國臺灣的臺灣塑料工業(yè)股份有限公司，瀝青基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)主要有美國氰特、三菱麗陽和東麗三家企業(yè)[2]。

目前，日本和美國不僅占據(jù)了世界主要的碳纖維產(chǎn)能，而且還不斷加大研發(fā)投入持續(xù)擴大產(chǎn)能，兼并收購其他生產(chǎn)企業(yè)，不斷鞏固其領先地位。由于碳纖維生產(chǎn)過程對技術要求較高，其利潤率也較高，日本和美國等碳纖維主要生產(chǎn)企業(yè)采取嚴格的技術封鎖，日本目前可以生產(chǎn)T1400的碳纖維是其他國家生產(chǎn)不了的，其他國家完全掌握其生產(chǎn)的核心技術還需要一段時間，這一壟斷格局暫時還很難打破。目前，世界碳纖維技術尤其是新近開發(fā)的先進技術主要掌握在日本東麗、東邦、三菱麗陽三大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，其他國家基本上處于追趕階段，距離日本的碳纖維技術尚有一定差距，日本三家公司生產(chǎn)的碳纖維無論質量還是產(chǎn)量均處于世界領先地位，尤其是東麗實業(yè)更是世界上高性能碳纖維研究與生產(chǎn)領域的“領頭羊”。

由于碳纖維及其復合材料在國防和民生中的重要作用，許多國家開始重視對碳纖維及其合成材料研發(fā)及生產(chǎn)。韓國、印度等國家碳纖維已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，我國政府也將碳纖維列為國家重點支持的新興產(chǎn)業(yè)，我國碳纖維研究與日本同時起步，但由于受到各種條件的制約進展緩慢，直至近幾年，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)進入大爆發(fā)時期，目前已經(jīng)初具規(guī)模，已先后突破了T700、T800等高性能碳纖維的千噸級產(chǎn)業(yè)化，2019年，中復神鷹實現(xiàn)了干噴濕紡T1000級超高強度碳纖維工程化，標志著我國碳纖維生產(chǎn)技術水平又上了一個臺階。經(jīng)過近幾年的追趕，國產(chǎn)T700S-12K小絲束碳纖維的復絲拉伸強度與模量達到同級別東麗碳纖維性能[3]，與世界碳纖維先進技術水平的差距在逐漸縮小。

3 日本碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

20世紀50年代末開始，日本開始碳纖維研究，60年代初，研發(fā)高性能PAN基碳纖維獲得成功。因為性能優(yōu)異，成本昂貴，早期的碳纖維主要在軍工方面有少量需求，隨著對PAN基碳纖維需求的增加，日本各個公司均開始躋身于碳纖維研發(fā)和生產(chǎn)。為了能夠掌握PAN基高性能碳纖維行業(yè)話語權，控制技術及掌握碳纖維市場競爭主動權，1975年起，日本開始啟動規(guī)?；a(chǎn)PAN基碳纖維技術標準研究與制定，1980年，日本頒布實施碳纖維性能檢測方法標準，這一標準的頒布實施，為PAN基高性能碳纖維批量生產(chǎn)和應用搭建了技術平臺，極大的提升了日本碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的競爭力[4]。

目前，日本是碳纖維技術最先進的國家。日本一方面通過在高性能PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維等投入大量的資金和人力，持續(xù)提高碳纖維技術含量和生產(chǎn)水平，另一方面通過擴大投資、建設新工廠或進行業(yè)務收購，進一步鞏固其在該領域遙遙領先的地位。

日本東麗、三菱麗陽和東邦三大公司的碳纖維產(chǎn)量占全球市場份額超過一半，是世界上技術先進、產(chǎn)量靠前、產(chǎn)品質量穩(wěn)定的企業(yè)，比較具有代表性，本文將以這三家公司為代表進行介紹，希望通過了解這三家企業(yè)的成長路徑，以發(fā)現(xiàn)并學習到一些有益的經(jīng)驗。

3.1 東麗

東麗是世界最大的碳纖維制造企業(yè)，其生產(chǎn)的碳纖維綜合競爭力全球排名第一，其碳纖維產(chǎn)量和碳纖維生產(chǎn)技術均位于世界前列，其產(chǎn)品質量也是碳纖維行業(yè)標桿，經(jīng)常被用來同其他碳纖維產(chǎn)品相比，許多生產(chǎn)廠家也常常以碳纖維產(chǎn)品質量能夠趕上或者超過東麗的同級產(chǎn)品質量而自豪，其碳纖維產(chǎn)品占全球市場份額的40%左右，而且還占據(jù)著世界碳纖維行業(yè)頂端產(chǎn)品，是世界上碳纖維行業(yè)的領先者。

1970年，東麗依靠自己先進的PAN原絲生產(chǎn)技術，通過與美國聯(lián)合碳化物公司交換技術，研究開發(fā)出高性能PAN基碳纖維，隨后開始量產(chǎn)PAN基碳纖維，并不斷提升技術，提高產(chǎn)量，增強產(chǎn)品性能，開發(fā)新產(chǎn)品[4]。到1982年，東麗碳纖維的生產(chǎn)工藝技術已經(jīng)取得重大突破，能夠生產(chǎn)出高強、超高強、高模、超高模、高強中模以及高強高模等類型的碳纖維產(chǎn)品。1987年，東麗已經(jīng)開始試生產(chǎn)銷售T1000高性能PAN基碳纖維，碳纖維的應用開發(fā)進入一個新的高水平階段。

進入21世紀，碳纖維行業(yè)又迎來了發(fā)展的黃金時期，隨著下游碳纖維應用需求不斷擴大，東麗一方面不斷擴大產(chǎn)能，另一方面也不斷開發(fā)新技術，提高產(chǎn)品質量。2016年，東麗聯(lián)合日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）等多家科研機構成功研發(fā)出新的碳纖維生產(chǎn)工藝，該工藝將極大提高碳纖維生產(chǎn)速度，達到原生產(chǎn)速度的10倍。新工藝流程減少了生產(chǎn)工序，縮短了時間，提高了生產(chǎn)效率，采用低價位PAN作為原料，降低碳纖維生產(chǎn)成本，還大量減少了能源消耗，更加符合日益嚴格的環(huán)保要求，與原有工藝相比，新工藝生產(chǎn)的碳纖維在伸長率及彈性模量等個別指標方面性能有所下降，但是完全能夠滿足下游對碳纖維性能方面的要求，最關鍵的是產(chǎn)量能夠大幅增加，可以滿足下游市場日益增加的需求。

近兩年，東麗碳纖維生產(chǎn)技術上持續(xù)取得重大突破，在保持碳纖維彈性模量的同時提高強度，這是碳纖維性能中往往難以兼顧的。東麗開發(fā)出新型碳纖維，其在保持了同現(xiàn)有產(chǎn)品同等彈性模量的基礎上提高了碳纖維的強度，在復合材料中即使減少碳纖維使用量，后道成型產(chǎn)品的性能也能維持原來水平，還可以減輕成品質量。目前，東麗已經(jīng)開始量產(chǎn)這一新產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以用于衛(wèi)星、火箭及飛機發(fā)動機部件等。

為了不斷擴大市場，東麗在不斷發(fā)展的同時，也通過不斷兼并收購來壯大自己。東麗一方面在本土和海外不斷擴建新的生產(chǎn)線，同時還不斷進行收購，2013年，東麗收購美國卓爾泰克公司，后者是世界上大絲束碳纖維的主要生產(chǎn)商，具有較大的成本優(yōu)勢，通過此次收購，東麗成為了全球唯一的一家超級碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，將其他碳纖維生產(chǎn)競爭對手遠遠的甩在了后面，此次收購進一步鞏固了東麗在世界碳纖維行業(yè)的領先地位[5]。隨后幾年，東麗又先后收購了意大利Saati公司在歐洲的碳纖維織物和預浸料業(yè)務，荷蘭曇卡先進復合材料有限公司等公司的碳纖維生產(chǎn)業(yè)務，逐步建立起自己的碳纖維產(chǎn)業(yè)供應鏈，擴大自己在碳纖維行業(yè)的市場份額，鞏固自己碳纖維行業(yè)的霸主地位。

3.2 三菱麗陽

三菱麗陽屬于日本三菱化學集團，是日本三大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)之一，也是世界上碳纖維主要生產(chǎn)企業(yè)之一，是世界上同時具備PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維生產(chǎn)能力的為數(shù)不多的企業(yè)之一，在日本、美國和德國等國家均有碳纖維生產(chǎn)基地。

1983年，三菱麗陽開始工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維。由于丙烯腈纖維是三菱麗陽的主要產(chǎn)品之一，PAN基碳纖維以丙烯腈纖維為原料，因此，三菱麗陽可以從丙烯腈的合成、聚合、原絲、碳纖維到成品一條龍進行生產(chǎn)[6]。同時，三菱麗陽具有雄厚的研發(fā)能力、豐富的纖維生產(chǎn)技術及先進的生產(chǎn)設備，這些優(yōu)勢使三菱麗陽不斷提升從原料到成品的生產(chǎn)技術和生產(chǎn)工藝，其碳纖維產(chǎn)品品質持續(xù)優(yōu)化改進。

三菱麗陽一直致力于開發(fā)碳纖維新產(chǎn)品的應用領域，不斷擴大碳纖維的應用鏈。經(jīng)過不斷的技術積累和科技研發(fā)，2011年，三菱麗陽生產(chǎn)的大絲束碳纖維，其產(chǎn)品性能、均勻性等多項性能指標均達到小絲束碳纖維的水平，與小絲束碳纖維相比，大絲束碳纖維具有更低的成本，此次改良后的大絲束碳纖維其成型性和加工效率比以前有很大提高，能夠充分發(fā)揮大絲束碳纖維的性能優(yōu)點。

為了擴大市場份額，重點搶占汽車領域的碳纖維使用，提高燃效、延長電動汽車續(xù)航里程。2014年開始，三菱麗陽開始擴大其位于美國分廠的碳纖維產(chǎn)量。2015年，三菱麗陽與三菱樹脂將其相關的碳纖維及復合材料業(yè)務進行合并重組，三菱樹脂的業(yè)務以瀝青類碳纖維為主，瀝青類碳纖維性能特點是拉伸彈性模量高，優(yōu)勢是價格低，三菱麗陽的業(yè)務以PAN類碳纖維為主，PAN類碳纖維主要特點是拉伸強度高，兩家公司業(yè)務的整合，使三菱麗陽成為少數(shù)幾家同時具有瀝青類碳纖維及PAN基類碳纖維生產(chǎn)能力的企業(yè)之一。三菱麗陽希望通過技術改進，研究出能夠兼容這兩類碳纖維優(yōu)點的新型產(chǎn)品，大幅度提高剛性并實現(xiàn)輕量化。隨后幾年，三菱麗陽先后收購了美國的Gemini復合材料公司、德國SGL集團位于美國的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)等公司的碳纖維業(yè)務，并逐步擴大位于日本本土的碳纖維產(chǎn)能，用于滿足日益增長的碳纖維需求。

3.3 東邦

日本東邦隸屬于帝人集團，是日本三大碳纖維生產(chǎn)商之一，尤其是在小絲束PAN基碳纖維生產(chǎn)方面具有明顯優(yōu)勢，是世界上著名的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，在日本、美國、德國等多個國家都建有其碳纖維生產(chǎn)基地。

1973年東邦人造絲（現(xiàn)在的東邦）開始工業(yè)生產(chǎn)PAN基碳纖維，此后，不斷研發(fā)新技術，開發(fā)新產(chǎn)品[6]。到1982年，東邦已經(jīng)可以生產(chǎn)高強、高模、超高強、超高模、高強中模以及高強高模等各種性能的高性能碳纖維產(chǎn)品，其碳纖維生產(chǎn)技術和生產(chǎn)工藝不斷改進，在拉伸強度和模量等碳纖維的主要性能方面有了重大突破，這一重大突破促使東邦公司在碳纖維的應用開發(fā)和生產(chǎn)進入了高水平階段，奠定了東邦在世界碳纖維生產(chǎn)行業(yè)的領先地位。

在經(jīng)歷了碳纖維行業(yè)低谷之后，進入21世紀，東邦碳纖維業(yè)績逐步恢復，出于對碳纖維未來行情的樂觀預測，自2003年開始壓縮其他業(yè)務，擴大碳纖維生產(chǎn)，加大科技研發(fā)投入，提高碳纖維產(chǎn)量的同時，提高產(chǎn)品的技術含量和質量的穩(wěn)定性，東邦一方面擴大自己產(chǎn)能，同時也不斷加快海外并購步伐，其碳纖維業(yè)務不斷擴展。2015年，為了搶占碳纖維下游應用市場業(yè)務，東邦對其碳纖維下游復合材料相關部門業(yè)務進行了重新整合，將原本分散的碳纖維復合材料的各個部門重新進行業(yè)務整合成一個整體，加強其碳纖維增強復合材料業(yè)務，希望能夠大舉進軍汽車領域。

2018年，其子公司帝人碳纖維公司位于美國南卡羅來納州生產(chǎn)基地的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)開始投資建設，其目的是為了加強全球上下游碳纖維業(yè)務，并不斷努力擴大其市場份額，同時加強新技術的研發(fā)，減少環(huán)境污染，以適應各個國家日益嚴格的環(huán)境保護的相關法律法規(guī)，這些都將進一步鞏固東邦在碳纖維行業(yè)地位。

4 小結

日本碳纖維多年以來一直在技術、產(chǎn)量和產(chǎn)品品質上位居世界前列，在世界上遙遙領先，原因是多方面的，一是政府的重視與大力支持，從政策及人才經(jīng)費上大力扶持碳纖維行業(yè)；二是日本幾個大型碳纖維生產(chǎn)企業(yè)之間形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，共同開展技術攻關；三是企業(yè)自己重視研發(fā)投入，不斷研發(fā)出新產(chǎn)品，持續(xù)提高碳纖維性能；四是其研發(fā)的新技術很快申請專利，形成專利保護，對技術嚴格封鎖；五是重視上下游產(chǎn)業(yè)鏈的結合，不僅研發(fā)出高品質的碳纖維，而且還同下游企業(yè)進行技術合作攻關，不斷拓展碳纖維下游使用領域，擴大其碳纖維占有的市場份額，提前鎖定下游客戶。

他山之石，可以攻玉，希望能夠借鑒日本碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗，加強我國碳纖維研究的“產(chǎn)學研檢用”融合，形成上下游碳纖維及復合材料產(chǎn)業(yè)鏈整體合力，共同促進碳纖維技術不斷創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展壯大，實現(xiàn)趕超。