碳纤维如何“超车”

    发展碳纤维必须坚持自主研发,提升国产化的生产能力。

    碳纤维是含碳量大于95%的纤维材料,同金属、树脂、玻璃、陶瓷等基础材料复合后,具有强度高、重量轻、耐腐蚀性强等优良特性,被日本、美国等国家广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输等战略行业,成为新一代军民两用、影响未来科技发展水平的战略新型材料。

    我国碳纤维经过多年努力,以自主研发为抓手,打破了国外的技术装备封锁,产业化生产初见成效。但整体来看,我国碳纤维发展依然处在核心技术创新不足、应用开发滞后、生产成本偏高、市场竞争力不强的阶段。下一步需要加大自主研发,推动产学研用一体化发展,降低生产成本,充分发挥行业协会的引领作用,提升战略新型材料的生产能力。

    加速赶超日美

    日本自20 世纪50 年代掌握碳纤维制备方法后,目前是全世界最大的碳纤维生产国,产品质量与数量均处于世界领先地位。日本东丽工业株式会社是世界上高性能碳纤维研究和生产的“领头羊”,高端产品占有率稳居世界第一,其生产的T1000 碳纤维拉伸强度等性能指标均处于世界领先水平,是目前全球最领先的碳纤维产品。

    与日本相比,美国碳纤维研发及应用近年来后劲十足。美国赫氏公司拥有40 多年为航空开发应用碳纤维的经验,能够自主生产供应碳纤维,是美国厂家中高性能碳纤维技术的领导者。

    2010 年,美国拨款3470 万美元,建立橡树岭国家实验室碳纤维技术中心。目前,美国碳纤维主要应用于军用、民用航空航天领域,2015 年美国碳纤维产量超过2 万吨。

    从全球碳纤维市场的份额划分看,国际碳纤维市场依旧为日、美企业所垄断。在小丝束碳纤维市场上,日本企业在全球的市场份额为60%;在大丝束碳纤维市场上,日美企业合计拥有全球75%的生产能力,处于明显的主导地位。

    高端碳纤维市场也基本被日美两国垄断,绝大部分高性能碳纤维是小丝束的聚丙烯腈基碳纤维。目前,全球最主要的小丝束碳纤维供应商的市场占比情况是:日本东丽占30%、东邦占20%、三菱丽阳占14%;美国赫氏占12%、氰特占8%;中国台湾地区台塑集团约占5%。

    同日美等国相比,我国碳纤维产量近年来快速提高,2015年碳纤维产能已到达1.7 万吨,产量为4000 吨。国内现有高强型碳纤维工程化研究和生产单位40 余家,主要包括威海拓展、中简科技、中复神鹰、江苏恒神、中安信、康得碳谷等。目前,我国企业已经可以稳定生产T300 号碳纤维,T700 与T800 等高规格产品也都突破了技术瓶颈。

    例如康得集团已建立起全球碳纤维轻量化生态平台、航空复合材料制造平台和研发平台,集团下属的中安信科技有限公司就于去年成功生产出合格的T800、T1000等产品,并且均实现稳定量产,产品性能稳定、合格率达到95%以上。

    成本与性能困境

    虽然中国是碳纤维消费大国,但近90%的国产碳纤维产品仍属于中低规格的通用型级别,且普遍存在成本高、能耗大、质量不稳定、开工率不足等问题,难以满足现代国防和高端工业领域的需求。

    首先,工程化稳定生产不足。日本东丽作为目前全球碳纤维行业的领军企业,能够稳定、批量生产近20 种牌号的高性能小丝束碳纤维产品和3 大类低成本大丝束碳纤维产品,可以满足不同领域、不同行业对不同规格碳纤维的使用要求。与日本东丽相比,国内企业普遍存在工艺稳定性不足、设备自动化程度不高、产品质量和稳定性差、缺少质量控制及追溯体系等问题,高性能碳纤维的大批量生产和规模工程化应用明显不够,实际开工率较低。尤其是高端产品及应用上,无论性能还是成本都难以与东丽抗衡。

    其次,国内的研究开发与应用尚显不足。国外在与碳纤维配套的专用油剂、上浆剂、通用和专用树脂等方面开展了大量理论和应用研究,目前已形成较为成熟的体系。而国内的研究与应用起步较晚,尚处于跟踪模仿阶段,总体上欠缺系统性、基础性的研究工作和不同领域的批量应用验证。

    最后是核心设备国产化待破题。碳纤维工程化稳定生产涉及到化工、纺织、材料、机械等多个学科领域,整个生产线由聚合釜、脱单塔、高精度过滤器等数千台/套工业化装备组成,包含温度、压力、黏度、流量等数千个工艺参数控制点,生产流程长,工艺非常复杂,技术难度很大,是一项集多学科、精细化、高尖端于一体的系统工程,具有很强的技术壁垒。

    目前,国内高性能碳纤维工程化生产所需的核心装备和关键部件,其制造技术大多数由日、美等国的企业所把控,部分设备(例如碳化炉、石墨化炉、驱动牵伸装置等)还受到外国政府严格的许可证管控制度,这对我国碳纤维行业的发展造成了很大威胁。

    亟需产学研用协调推进

    出于安全及战略考量,发达国家严格限制高端碳纤维核心制造技术的输出,我国不可能从这些国家进口到高质量原丝与碳纤维产品,更难获得成套核心技术,因此发展碳纤维必须要坚持自主研发,提升国产化的生产能力。

    第一,通过各种有效手段,不断推进碳纤维及部件生产成本的下降。通过设计的不断优化、工艺的不断提高、生产节奏的不断加快以及材料回收再利用这些途径,都可以实现降低成本的目的,从而引领整个产业不断向纵深发展。

    第二,坚持自主研发,建立自主品牌体系。在坚持自主研发、走国产化道路的基础上,在合理技术支撑、产品质量可控的基础上,实施个性化碳纤维材料制造,逐步建立具有中国特色的产品体系,满足不同市场需求。

    第三,推动“产学研用”紧密结合。集中优势科研资源,汇集国内顶尖的机构及企业力量,通过有效的人才吸引机制,将众多国内外碳纤维及碳纤维复材领域的专家聚集在产业平台之上,为产业发展提供源源不竭的动力。打通生产、研究、应用各环节,以“产学研用”共同发展的方式,实现联合攻关,提高我国碳纤维产业的研发能力。

    第四,国内高端装备制造应用领域借鉴美国做法,规定碳纤维材料50%以上实现国产化,逐步实现国产化替代。这些领域包括:大飞机、航空航天、核领域等。第五,注重发挥行业协会的引领作用。可参照日本碳纤维制造商协会的运营经验,尽快成立碳纤维行业协会,促进碳纤维制造企业合作、规范国内竞争、推动技术标准化、促进碳纤维应用、以信息技术改进行业流程、整合行业力量,在关键技术及配套准备研发、行业企业交流、开展国际合作等方面发挥作用。(文/瞭望智库 陈光义)

责任编辑: 韩腾千
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