常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)突破路徑研究＊

周伶俐

（常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

以碳纖維、石墨烯為代表的新型碳材料是新材料領(lǐng)域皇冠上的明珠，是我國制造業(yè)高端化突破不可或缺的關(guān)鍵材料，被視為未來高技術(shù)產(chǎn)業(yè)競爭的戰(zhàn)略制高點。該產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)墙K省重點培育的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)鏈。常州作為江蘇省碳材料發(fā)展的重點區(qū)域，于2022 年以“常州市新型碳材料產(chǎn)業(yè)集群”入選國家先進(jìn)制造業(yè)集群。經(jīng)過多年發(fā)展，常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模和技術(shù)水平取得較大進(jìn)步，但與世界先進(jìn)地區(qū)的碳纖維產(chǎn)業(yè)競爭力相比，仍存在價值鏈低端鎖定的風(fēng)險、某些關(guān)鍵核心技術(shù)受制于人、先進(jìn)制造業(yè)成本偏高等短板，其中部分短板也是行業(yè)共性難題［1-2］。目前，業(yè)內(nèi)學(xué)者或企業(yè)研究人員主要圍繞大絲束碳纖維國產(chǎn)替代［3］、高性能碳纖維及復(fù)合材料低成本開發(fā)［4］、碳纖維復(fù)材專用環(huán)氧樹脂開發(fā)［5］、新型碳纖維復(fù)材典型成型工藝［6-7］、碳纖維復(fù)材在汽車輕量化應(yīng)用［8-9］等碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈部分關(guān)鍵節(jié)點或應(yīng)用場景的“卡脖子”技術(shù)開展研究。

本文擬對照碳纖維及復(fù)合產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點和全球碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，對常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及其技術(shù)水平進(jìn)行實證分析，梳理出亟須突破的關(guān)鍵技術(shù)，并探討構(gòu)建多方合作的合力攻關(guān)長效機制，為常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃和宏觀決策提供借鑒。

1 碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈由上游原料供應(yīng)，中游原絲、碳纖維、中間材料、復(fù)合材料制備環(huán)節(jié)，以及下游應(yīng)用組成。碳纖維制造過程涉及物理、化學(xué)、紡織、材料、精密機械、自動化等多個學(xué)科，技術(shù)壁壘高、研發(fā)投入大、研發(fā)周期長。碳纖維及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點圖譜如圖1所示［10］。

圖1 碳纖維及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點圖譜

2 全球碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及競爭力分析

2.1 從世界范圍來看，碳纖維及復(fù)合材料歷來是發(fā)達(dá)國家的必爭領(lǐng)域

當(dāng)前，碳纖維生產(chǎn)及制備產(chǎn)業(yè)鏈主要集中在日、美、德等發(fā)達(dá)國家，其中日本是碳纖維強國，掌握了世界碳纖維核心技術(shù)，占全球小絲束碳纖維市場份額的49%；美國源于航空航天公司的應(yīng)用驅(qū)動和生產(chǎn)要素的低成本，吸引大量碳纖維投資，產(chǎn)能最大，占全球大絲束碳纖維市場份額的58%［11］。目前，世界碳纖維產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)四大特點：一是日、美對碳纖維核心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的壟斷與控制加劇；二是韓國及土耳其的碳纖維行業(yè)的新興力量迅速崛起，碳纖維產(chǎn)能不斷擴(kuò)大，實現(xiàn)規(guī)模化效應(yīng)；三是日本“東麗”、德國“西格里”、日本“三菱麗陽”、日本“東邦”和美國“赫氏”等碳纖維龍頭企業(yè)實現(xiàn)全球化布局，產(chǎn)業(yè)集成度高，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)品的差別化定位；四是國外企業(yè)非常注重與下游用戶的合作，碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域得到極大擴(kuò)展。

2.2 從全國來看，碳纖維及復(fù)合材料是建設(shè)制造強國的重要機遇

近50 多年來，在國家科技與產(chǎn)業(yè)政策的支持和應(yīng)用的有效牽引下，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)取得了重大突破，在國內(nèi)形成以江蘇、山東、吉林和山西等地為主的碳纖維產(chǎn)業(yè)集聚地［12］。目前在部分細(xì)分領(lǐng)域已打破美、日的技術(shù)封鎖，產(chǎn)業(yè)化取得一系列成果，包括部分成套設(shè)備制造實現(xiàn)國產(chǎn)化；研制出接近日本“東麗”T300水平的碳纖維產(chǎn)品，并在航空航天和民用領(lǐng)域得到應(yīng)用，T700 和T800（濕紡工藝）具備國防應(yīng)用水平；T700 和T800（干噴濕紡）基本具備國防和工程應(yīng)用水平；T1000、M55J 等高性能碳纖維研制也取得了很大進(jìn)展［13］。但是，我國受制于國外在產(chǎn)品、技術(shù)、裝備方面嚴(yán)格的“三封鎖”，在高端碳纖維制造技術(shù)、核心生產(chǎn)設(shè)備、高端應(yīng)用、人才儲備方面，均與美、日等國存在一定的差距。

2.3 碳纖維及復(fù)合材料是江蘇省重點培育的優(yōu)勢集群

以石墨烯、碳纖維為代表的先進(jìn)碳材料產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)墙K省委、省政府重點培育的10 條卓越產(chǎn)業(yè)鏈之一。江蘇高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展擁有良好的基礎(chǔ)，是我國碳纖維大省，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模占全國的50%，擁有“中復(fù)神鷹”“恒神股份”“中簡科技”“新創(chuàng)碳谷”“江蘇澳盛”“航天海鷹”“江蘇天鳥”等骨干企業(yè)，形成以連云港、鎮(zhèn)江、常州為核心的集聚分布格局，初步形成包括碳纖維制備、中間制品生產(chǎn)、復(fù)合材料成型開發(fā)、檢驗檢測與標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，在全國范圍內(nèi)率先實現(xiàn)了T300 級、T700 級、T800 級、T1000 級的碳纖維產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化［14］。其中，常州作為江蘇省碳材料發(fā)展的重點區(qū)域，在原絲聚合、凝固成型、材料復(fù)合等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)取得國內(nèi)領(lǐng)先地位，形成以“中簡科技”“新創(chuàng)碳谷”“安泰復(fù)材”3 家龍頭企業(yè)為牽引，江蘇集萃碳纖維及復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究院為創(chuàng)新平臺支撐，“科泰思”“江蘇三強”等多家潛力企業(yè)集聚的“3+1+X”產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。

3 常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)布局和技術(shù)水平分析

常州經(jīng)過10多年的積淀和發(fā)展，在高性能纖維的研發(fā)制造、纖維用樹脂的研發(fā)、復(fù)合材料工藝應(yīng)用、復(fù)合材料制造裝備和應(yīng)用領(lǐng)域，形成良好的發(fā)展態(tài)勢，集聚了“中簡科技”“宏發(fā)縱橫”“安泰復(fù)材”“新創(chuàng)碳谷“”帝威新材”等30多家具有自主知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力的龍頭骨干企業(yè)，在全國范圍內(nèi)率先實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模量（T300 級、T700 級）、中等模量（T800 級）、高強高模（T1000級）的碳纖維產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，同時擁有濕法和干噴濕法兩項原絲關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，配套方面涵蓋漿劑、樹脂、織物、預(yù)浸料、復(fù)合材料、生產(chǎn)設(shè)備等門類較為齊全的產(chǎn)品，初步形成包括碳纖維制備、中間制品生產(chǎn)、復(fù)合材料成型開發(fā)、檢驗檢測與標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，在原絲聚合、凝固成型、材料復(fù)合等產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)取得國內(nèi)領(lǐng)先地位［15］。

盡管常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展，但仍存在基礎(chǔ)研究不足、關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點缺失、產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同不足、產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模不大、對地方經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)不夠等一系列問題。基于關(guān)鍵技術(shù)關(guān)乎產(chǎn)業(yè)鏈安全，具有國家戰(zhàn)略屬性的特點，本文對照碳纖維及復(fù)合產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點和全球碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，將該產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)分為兩類：一類是“暫時不可控”技術(shù)，需完全依賴進(jìn)口或國內(nèi)其他地區(qū)的關(guān)鍵核心技術(shù)，包括油劑、紡絲設(shè)備（噴絲頭、噴絲板、蒸汽牽引機）、上漿劑、預(yù)浸機（熱塑性）、高端樹脂；另一類是“基本和部分可控”技術(shù)，對標(biāo)國際新一代碳纖維技術(shù)、高端應(yīng)用，仍需持續(xù)提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量，持續(xù)降低生產(chǎn)成本的技術(shù)節(jié)點，如低成本、大規(guī)模干噴濕法紡絲、熱固性復(fù)合材料回收、碳纖維航空航天高端應(yīng)用等。常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)布局和技術(shù)水平分析見表1。

表1 常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)布局和技術(shù)水平分析

4 常州碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)突破路徑的建議

為做強常州“東方碳谷”產(chǎn)業(yè)地標(biāo)，可從以下3個維度，凝聚政府—學(xué)研—企業(yè)三方合力協(xié)同攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)［16］。

4.1 加強頂層設(shè)計與戰(zhàn)略統(tǒng)籌，深化“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同攻關(guān)

“卡脖子”威脅產(chǎn)業(yè)技術(shù)安全和國家戰(zhàn)略安全，在短期內(nèi)很難攻克。因此，常州應(yīng)面向國家重大需求，緊緊圍繞構(gòu)建自主可控的碳纖維產(chǎn)業(yè)體系的使命，一要加強頂層設(shè)計與戰(zhàn)略統(tǒng)籌，建立產(chǎn)業(yè)科技安全預(yù)警監(jiān)測運行機制，對“卡脖子”問題進(jìn)行動態(tài)研判、分級管理，加強制度政策供給，確保產(chǎn)業(yè)鏈安全；二要依托“龍城實驗室”“江蘇省集萃碳纖維及復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)研究院”“江蘇省碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心”等國家戰(zhàn)略科技力量，深化政“產(chǎn)學(xué)研”合作，發(fā)揮政府重大科技創(chuàng)新“組織者”和企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新“出題者”的作用，探索“任務(wù)定榜”“前沿引榜”“企業(yè)出榜”“需求張榜”等新模式，重點突破原輔材料和生產(chǎn)裝備等“卡脖子”環(huán)節(jié)。

4.2 積極融入?yún)^(qū)域創(chuàng)新體系，增強基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究能力

碳纖維制造是一項集多學(xué)科、精細(xì)化、高端技術(shù)于一體的系統(tǒng)工程，涉及化學(xué)、物理、紡織、材料、精密機械、自動化等多個學(xué)科領(lǐng)域，以及上千工藝流程參數(shù)的高精度控制。碳纖維產(chǎn)業(yè)的“卡脖子”技術(shù)問題涉及多個領(lǐng)域，背景成因復(fù)雜，根源在于基礎(chǔ)研究與基礎(chǔ)應(yīng)用研究。日本“東麗”T1100G 碳纖維的成功研制，得益于在碳化工藝過程中，在納米尺度上碳纖維微觀結(jié)構(gòu)的改善，從而大幅提升碳纖維的強度和彈性模量。常州應(yīng)以建設(shè)長三角碳纖維及復(fù)合材料技術(shù)創(chuàng)新中心和龍城實驗室為契機，整合國內(nèi)外高校、科研院所、企業(yè)在大型科學(xué)裝置、學(xué)科、科研、人才等方面的優(yōu)勢資源，圍繞碳纖維及復(fù)合材料的原料開發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝研究、下游應(yīng)用等全流程，進(jìn)行跨區(qū)域、跨領(lǐng)域創(chuàng)新力量的優(yōu)化整合，開展碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究，為行業(yè)發(fā)展提供源頭技術(shù)供給，支撐常州碳纖維產(chǎn)業(yè)向中高端發(fā)展。

4.3 強化領(lǐng)軍企業(yè)培育，發(fā)揮領(lǐng)軍企業(yè)補鏈、強鏈、延鏈的引領(lǐng)作用

產(chǎn)業(yè)鏈的領(lǐng)軍企業(yè)起步早、實力強、上下游聯(lián)動能力強，影響力大。常州碳纖維產(chǎn)業(yè)擁有“中簡科技”“宏發(fā)縱橫”“新創(chuàng)碳谷”等多家國內(nèi)龍頭企業(yè)，應(yīng)加大對這些領(lǐng)軍企業(yè)的全方位支持力度。支持領(lǐng)軍企業(yè)充分發(fā)揮行業(yè)引領(lǐng)作用，面向國家戰(zhàn)略需求和產(chǎn)業(yè)鏈短板，牽頭開展自主創(chuàng)新項目，爭取上級資金，加強上下游聯(lián)動，深化“產(chǎn)學(xué)研”合作；支持領(lǐng)軍企業(yè)牽頭組建創(chuàng)新聯(lián)合體，以產(chǎn)業(yè)鏈安全、國家安全為牽引，全面鏈接創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、資金鏈、人才鏈，促進(jìn)常州市碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈強鏈、補鏈和延鏈，努力將常州打造成具有國際影響力，國內(nèi)領(lǐng)軍的碳纖維產(chǎn)業(yè)基地。

5 結(jié)語

盡管常州市碳纖維產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展，但是在產(chǎn)業(yè)鏈自主可控和安全性方面，仍存在多個缺失的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點，相比國際、國內(nèi)先進(jìn)水平，仍有很大提升空間。下一步，常州將積極融入?yún)^(qū)域創(chuàng)新體系，凝聚政府-學(xué)研-企業(yè)三方合力，深化“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同攻關(guān)，盡早突破一批產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)，積極搶占碳纖維材料競爭和未來發(fā)展制高點，在強化國家戰(zhàn)略科技力量上展現(xiàn)常州擔(dān)當(dāng)。