碳纖維如何“超車”

陳光義

碳纖維是含碳量大于95%的纖維材料，同金屬、樹脂、玻璃、陶瓷等基礎(chǔ)材料復(fù)合后，具有強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)良特性，被日本、美國等國家廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、交通運(yùn)輸?shù)葢?zhàn)略行業(yè)，成為新一代軍民兩用、影響未來科技發(fā)展水平的戰(zhàn)略新型材料。

2018年4月17日，江蘇連云港市開發(fā)區(qū)，工人正在碳纖維生產(chǎn)線上查看運(yùn)行情況。

我國碳纖維經(jīng)過多年努力，以自主研發(fā)為抓手，打破了國外的技術(shù)裝備封鎖，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)初見成效。但整體來看，我國碳纖維發(fā)展依然處在核心技術(shù)創(chuàng)新不足、應(yīng)用開發(fā)滯后、生產(chǎn)成本偏高、市場競爭力不強(qiáng)的階段。下一步需要加大自主研發(fā)，推動產(chǎn)學(xué)研用一體化發(fā)展，降低生產(chǎn)成本，充分發(fā)揮行業(yè)協(xié)會的引領(lǐng)作用，提升戰(zhàn)略新型材料的生產(chǎn)能力。

加速趕超日美

日本自20 世紀(jì)50 年代掌握碳纖維制備方法后，目前是全世界最大的碳纖維生產(chǎn)國，產(chǎn)品質(zhì)量與數(shù)量均處于世界領(lǐng)先地位。日本東麗工業(yè)株式會社是世界上高性能碳纖維研究和生產(chǎn)的“領(lǐng)頭羊”，高端產(chǎn)品占有率穩(wěn)居世界第一，其生產(chǎn)的T1000 碳纖維拉伸強(qiáng)度等性能指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先水平，是目前全球最領(lǐng)先的碳纖維產(chǎn)品。

與日本相比，美國碳纖維研發(fā)及應(yīng)用近年來后勁十足。美國赫氏公司擁有40 多年為航空開發(fā)應(yīng)用碳纖維的經(jīng)驗(yàn)，能夠自主生產(chǎn)供應(yīng)碳纖維，是美國廠家中高性能碳纖維技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

2010 年，美國撥款3470 萬美元，建立橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室碳纖維技術(shù)中心。目前，美國碳纖維主要應(yīng)用于軍用、民用航空航天領(lǐng)域，2015 年美國碳纖維產(chǎn)量超過2 萬噸。

從全球碳纖維市場的份額劃分看，國際碳纖維市場依舊為日、美企業(yè)所壟斷。在小絲束碳纖維市場上，日本企業(yè)在全球的市場份額為60%;在大絲束碳纖維市場上，日美企業(yè)合計擁有全球75%的生產(chǎn)能力，處于明顯的主導(dǎo)地位。

高端碳纖維市場也基本被日美兩國壟斷，絕大部分高性能碳纖維是小絲束的聚丙烯腈基碳纖維。目前，全球最主要的小絲束碳纖維供應(yīng)商的市場占比情況是：日本東麗占30%、東邦占20%、三菱麗陽占14%;美國赫氏占12%、氰特占8%;中國臺灣地區(qū)臺塑集團(tuán)約占5%。

同日美等國相比，我國碳纖維產(chǎn)量近年來快速提高，2015年碳纖維產(chǎn)能已到達(dá)1.7 萬噸，產(chǎn)量為4000 噸。國內(nèi)現(xiàn)有高強(qiáng)型碳纖維工程化研究和生產(chǎn)單位40 余家，主要包括威海拓展、中簡科技、中復(fù)神鷹、江蘇恒神、中安信、康得碳谷等。

目前，我國企業(yè)已經(jīng)可以穩(wěn)定生產(chǎn)T300 號碳纖維，T700 與T800 等高規(guī)格產(chǎn)品也都突破了技術(shù)瓶頸。

例如康得集團(tuán)已建立起全球碳纖維輕量化生態(tài)平臺、航空復(fù)合材料制造平臺和研發(fā)平臺，集團(tuán)下屬的中安信科技有限公司就于去年成功生產(chǎn)出合格的T800、T1000等產(chǎn)品，并且均實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定、合格率達(dá)到95%以上。

成本與性能困境

雖然中國是碳纖維消費(fèi)大國，但近90%的國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品仍屬于中低規(guī)格的通用型級別，且普遍存在成本高、能耗大、質(zhì)量不穩(wěn)定、開工率不足等問題，難以滿足現(xiàn)代國防和高端工業(yè)領(lǐng)域的需求。

首先，工程化穩(wěn)定生產(chǎn)不足。日本東麗作為目前全球碳纖維行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，能夠穩(wěn)定、批量生產(chǎn)近20 種牌號的高性能小絲束碳纖維產(chǎn)品和3 大類低成本大絲束碳纖維產(chǎn)品，可以滿足不同領(lǐng)域、不同行業(yè)對不同規(guī)格碳纖維的使用要求。

與日本東麗相比，國內(nèi)企業(yè)普遍存在工藝穩(wěn)定性不足、設(shè)備自動化程度不高、產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性差、缺少質(zhì)量控制及追溯體系等問題，高性能碳纖維的大批量生產(chǎn)和規(guī)模工程化應(yīng)用明顯不夠，實(shí)際開工率較低。尤其是高端產(chǎn)品及應(yīng)用上，無論性能還是成本都難以與東麗抗衡。

其次，國內(nèi)的研究開發(fā)與應(yīng)用尚顯不足。國外在與碳纖維配套的專用油劑、上漿劑、通用和專用樹脂等方面開展了大量理論和應(yīng)用研究，目前已形成較為成熟的體系。而國內(nèi)的研究與應(yīng)用起步較晚，尚處于跟蹤模仿階段，總體上欠缺系統(tǒng)性、基礎(chǔ)性的研究工作和不同領(lǐng)域的批量應(yīng)用驗(yàn)證。

最后是核心設(shè)備國產(chǎn)化待破題。碳纖維工程化穩(wěn)定生產(chǎn)涉及到化工、紡織、材料、機(jī)械等多個學(xué)科領(lǐng)域，整個生產(chǎn)線由聚合釜、脫單塔、高精度過濾器等數(shù)千臺/套工業(yè)化裝備組成，包含溫度、壓力、黏度、流量等數(shù)千個工藝參數(shù)控制點(diǎn)，生產(chǎn)流程長，工藝非常復(fù)雜，技術(shù)難度很大，是一項(xiàng)集多學(xué)科、精細(xì)化、高尖端于一體的系統(tǒng)工程，具有很強(qiáng)的技術(shù)壁壘。

目前，國內(nèi)高性能碳纖維工程化生產(chǎn)所需的核心裝備和關(guān)鍵部件，其制造技術(shù)大多數(shù)由日、美等國的企業(yè)所把控，部分設(shè)備（例如碳化爐、石墨化爐、驅(qū)動牽伸裝置等）還受到外國政府嚴(yán)格的許可證管控制度，這對我國碳纖維行業(yè)的發(fā)展造成了很大威脅。

亟需產(chǎn)學(xué)研用協(xié)調(diào)推進(jìn)

出于安全及戰(zhàn)略考量，發(fā)達(dá)國家嚴(yán)格限制高端碳纖維核心制造技術(shù)的輸出，我國不可能從這些國家進(jìn)口到高質(zhì)量原絲與碳纖維產(chǎn)品，更難獲得成套核心技術(shù)，因此發(fā)展碳纖維必須要堅持自主研發(fā)，提升國產(chǎn)化的生產(chǎn)能力。

第一，通過各種有效手段，不斷推進(jìn)碳纖維及部件生產(chǎn)成本的下降。通過設(shè)計的不斷優(yōu)化、工藝的不斷提高、生產(chǎn)節(jié)奏的不斷加快以及材料回收再利用這些途徑，都可以實(shí)現(xiàn)降低成本的目的，從而引領(lǐng)整個產(chǎn)業(yè)不斷向縱深發(fā)展。

第二，堅持自主研發(fā)，建立自主品牌體系。在堅持自主研發(fā)、走國產(chǎn)化道路的基礎(chǔ)上，在合理技術(shù)支撐、產(chǎn)品質(zhì)量可控的基礎(chǔ)上，實(shí)施個性化碳纖維材料制造，逐步建立具有中國特色的產(chǎn)品體系，滿足不同市場需求。

第三，推動“產(chǎn)學(xué)研用”緊密結(jié)合。集中優(yōu)勢科研資源，匯集國內(nèi)頂尖的機(jī)構(gòu)及企業(yè)力量，通過有效的人才吸引機(jī)制，將眾多國內(nèi)外碳纖維及碳纖維復(fù)材領(lǐng)域的專家聚集在產(chǎn)業(yè)平臺之上，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供源源不竭的動力。打通生產(chǎn)、研究、應(yīng)用各環(huán)節(jié)，以“產(chǎn)學(xué)研用”共同發(fā)展的方式，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合攻關(guān)，提高我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的研發(fā)能力。

第四，國內(nèi)高端裝備制造應(yīng)用領(lǐng)域借鑒美國做法，規(guī)定碳纖維材料50%以上實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代。這些領(lǐng)域包括：大飛機(jī)、航空航天、核領(lǐng)域等。

第五，注重發(fā)揮行業(yè)協(xié)會的引領(lǐng)作用。可參照日本碳纖維制造商協(xié)會的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，盡快成立碳纖維行業(yè)協(xié)會，促進(jìn)碳纖維制造企業(yè)合作、規(guī)范國內(nèi)競爭、推動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、促進(jìn)碳纖維應(yīng)用、以信息技術(shù)改進(jìn)行業(yè)流程、整合行業(yè)力量，在關(guān)鍵技術(shù)及配套準(zhǔn)備研發(fā)、行業(yè)企業(yè)交流、開展國際合作等方面發(fā)揮作用。