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20世紀(jì)80年代，我國(guó)組織全國(guó)力量開(kāi)展碳纖維研制攻關(guān)，近年來(lái)已相繼實(shí)現(xiàn)了多個(gè)系列和級(jí)別的碳纖維國(guó)產(chǎn)化，而且解決了宇航級(jí)碳纖維的自主保障問(wèn)題，使我國(guó)成為繼日本、美國(guó)之后第三個(gè)掌握宇航級(jí)碳纖維技術(shù)的國(guó)家。
隨著航空航天、風(fēng)力發(fā)電、氫能源和新能源汽車(chē)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，碳纖維行業(yè)正步入發(fā)展的快車(chē)道。在碳纖維的研究領(lǐng)域，我們實(shí)現(xiàn)了哪些重大突破？未來(lái)在碳纖維產(chǎn)業(yè)化的道路上，我們還有哪些問(wèn)題亟待解決？
碳纖維為什么神奇
一桶標(biāo)準(zhǔn)的碳纖維，重約1公斤，長(zhǎng)15000米。它的顏色黑黑的，其貌不揚(yáng)，但是它確實(shí)很神奇。它是由我們?nèi)嗽斓挠袡C(jī)纖維經(jīng)過(guò)高溫轉(zhuǎn)化得到的含碳量達(dá)到90%以上的一種無(wú)機(jī)纖維，也叫“黑黃金”。
為什么說(shuō)是神奇的碳纖維呢？主要體現(xiàn)在五個(gè)方面。
第一是細(xì)如發(fā)絲。碳纖維直徑大概在5—8微米。
第二是輕如鴻毛。碳纖維的密度是鋼的五分之一，是鈦的五分之二，是鋁的五分之三。用碳纖維做成的自行車(chē)，重量?jī)H僅5公斤，一位女士就可以很輕易地把它單手提起來(lái)。
第三是強(qiáng)如鋼鐵。碳纖維很強(qiáng)，首先它的強(qiáng)度高，一束標(biāo)準(zhǔn)12K碳纖維，可以承受130公斤左右的重量。其次碳纖維非常耐高溫，碳纖維在3000 攝氏度下依然安然無(wú)恙。
第四是制備非常難。它的制備難度與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造、芯片制造、微納制造是可以比擬的，它也是集人類(lèi)工業(yè)文明之大成的一個(gè)杰作。碳纖維制備流程非常長(zhǎng)，它包括上百個(gè)細(xì)分的工序，目前統(tǒng)計(jì)有兩千多個(gè)要控制的參數(shù)，是一個(gè)確確實(shí)實(shí)需要千錘百煉的過(guò)程。有專(zhuān)家統(tǒng)計(jì)，如果純粹靠實(shí)驗(yàn)來(lái)研制碳纖維，所需要做的實(shí)驗(yàn)次數(shù)是10的6次方到10的7次方。如果每天做10次實(shí)驗(yàn)，碳纖維的研制需要上千年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，所以是一個(gè)非常艱難的研發(fā)、制備過(guò)程。
第五是貴如黃金。因?yàn)樘祭w維的制備非常難，流程非常長(zhǎng)，所以它非常貴。目前宇航級(jí)的碳纖維，它的價(jià)格每公斤在千元到萬(wàn)元這個(gè)范圍，是鋼和鋁合金的幾十倍。
碳纖維還有其他很多優(yōu)點(diǎn)，比方說(shuō)它的耐腐蝕性能好，能耐各種酸、堿、油，還包括海洋環(huán)境，它的耐腐蝕性能優(yōu)于黃金和白金。同時(shí)碳纖維還有一個(gè)非常奇特的特點(diǎn)，就是它的膨脹系數(shù)接近0，在負(fù)100攝氏度到正100攝氏度之間，它的尺寸基本保持不變。另外把碳纖維做成復(fù)合材料以后，它的抗疲勞性能非常好。
碳纖維有什么用
碳纖維材料從無(wú)到有，經(jīng)歷了100多年的歷史。它的出現(xiàn)推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，同時(shí)也形成了一個(gè)巨大的消費(fèi)市場(chǎng)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球碳纖維產(chǎn)能已經(jīng)突破了10萬(wàn)噸量級(jí)。如此數(shù)量的碳纖維究竟被應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？它又如何改變著我們的生活？
碳纖維有什么用？主要包括以下三個(gè)方面。
第一，碳纖維是航空航天競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要標(biāo)志。中國(guó)已經(jīng)成為世界上第三個(gè)自主擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，在這方面碳纖維是功不可沒(méi)的。北斗衛(wèi)星，看起來(lái)就像一座房子帶著兩只翅膀，它的房子和翅膀都是用碳纖維復(fù)合材料做的。為什么要用碳纖維？首先，衛(wèi)星要裝足夠多的儀器設(shè)備，要求它的結(jié)構(gòu)重量比要小于5%，所以必須用碳纖維；其次，衛(wèi)星的天線(xiàn)、相機(jī)等設(shè)備要求很高的精度，要解決熱變形的問(wèn)題，碳纖維正好有這方面的優(yōu)勢(shì)，所以現(xiàn)在包括北斗衛(wèi)星在內(nèi)的高性能衛(wèi)星都是碳纖維復(fù)合材料化的衛(wèi)星。
第二，碳纖維是提升競(jìng)技體育成績(jī)的一個(gè)制勝法寶。碳纖維在體育器材上應(yīng)用廣泛。碳纖維的網(wǎng)球拍現(xiàn)在已經(jīng)成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網(wǎng)球拍，最高球速可以達(dá)到每小時(shí)將近250公里，但是高性能的鋁合金網(wǎng)球拍只能達(dá)到每小時(shí)200公里左右，速度提高了20%以上。剛剛退役的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員費(fèi)德勒，就是用Pro staff這種碳纖維網(wǎng)球拍獲得了20屆大滿(mǎn)貫的冠軍。
第三，碳纖維將是第四次工業(yè)革命一個(gè)重要物質(zhì)支撐。即將到來(lái)的星際航行、清潔能源和人工智能時(shí)代，碳纖維也將大有作為。人類(lèi)要進(jìn)入宇宙空間，要探索月球，要進(jìn)行載人登月，要探測(cè)火星，也有可能要進(jìn)行載人火星探測(cè)，要探索其他行星和小行星。無(wú)論進(jìn)入宇宙空間到駐留宇宙空間，再到探索宇宙空間，包括今后建立宇宙空間的科考站，碳纖維都是不可或缺的。
今后會(huì)有大量的智能機(jī)器人，以機(jī)器人為代表的智能裝備，必須解決結(jié)構(gòu)重量的問(wèn)題，要輕量化，以保證它們的行走里程、續(xù)航時(shí)間等指標(biāo)的完成。另外，這些智能裝備、機(jī)器人必須具備動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，碳纖維的復(fù)合材料在這方面有其他材料不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在第四次工業(yè)革命前夕，在即將進(jìn)入智能化、智慧化社會(huì)這個(gè)過(guò)程中，碳纖維和碳纖維復(fù)合材料將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
大絲束碳纖維
按絲束規(guī)格的不同，可以將其分為小絲束碳纖維和大絲束碳纖維。大絲束碳纖被稱(chēng)為民用工業(yè)新材料佼佼者。
碳纖維具有除一般碳素材料耐高溫，耐磨擦，導(dǎo)電，導(dǎo)熱及耐腐蝕等特性，還可表現(xiàn)出穩(wěn)定的化學(xué)性能及物理性能。每束碳纖維中所含單纖維根數(shù)是碳纖維的一個(gè)重要的指標(biāo)。
大絲束碳纖維通常指碳纖維根數(shù)在48000 根即（48k）以上的纖維束，包括50000（50k）、60000（60k）、120000（120k）、360000（360k）等，而小絲束碳纖維指纖維根數(shù)小于48k的碳纖維束，如1000（1k）、3000（3k）、12000（12k）、24000（24k）等。與小絲束相比大絲束受到制作工藝的限制其模量與強(qiáng)度稍顯遜色，但是制作成本與售價(jià)具備高性?xún)r(jià)比，在工業(yè)領(lǐng)域尤其是風(fēng)電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
大絲束碳纖維的每一根絲束都有4.8萬(wàn)根纖維，每一根纖維的直徑只有頭發(fā)絲直徑的1/7到1/8，是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料。其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強(qiáng)度卻是鋼的7~9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。
圖1 大絲束碳纖維
1. 大絲束碳纖維的特點(diǎn)
雖然大絲束碳纖維和小絲束碳纖維有很多共同的優(yōu)點(diǎn)，但是相對(duì)于小絲束碳纖維，大絲束碳纖維有很多特點(diǎn)，主要包括：
- 采用成本較低的民用聚丙烯腈（PAN）絲作為原絲
碳纖維原絲的制備是碳纖維開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中最重要的技術(shù)之一。只有高性能的原絲才能生產(chǎn)出高質(zhì)量的碳纖維。大絲束碳纖維使用低成本的專(zhuān)用PAN細(xì)絲作為原絲。用于制造小絲束碳纖維的特殊原絲幾乎相同。但是，價(jià)格大約是小絲束碳纖維特殊原絲的四分之一，并且原絲的價(jià)格通常約占碳纖維制備成本的60％。因此，大絲束碳纖維的價(jià)格僅為小絲束碳纖維價(jià)格的50％至60％。
- 具有較高的性能價(jià)格比
在國(guó)外，碳纖維的性能通常通過(guò)其價(jià)格性能比來(lái)衡量，即每美元的強(qiáng)度，模量，比強(qiáng)比模量。與小絲束碳纖維相比，大絲束碳纖維的性?xún)r(jià)比高得多。
圖2 大絲束和小絲束碳纖維的比較
相較于小絲束，大絲束產(chǎn)能在性能上偏弱，但性?xún)r(jià)比較強(qiáng)。從大絲束生產(chǎn)工藝可看出其生產(chǎn)成本較低，這也是大絲束的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
從性能上來(lái)看：大絲束碳纖維拉伸強(qiáng)度3.5-5.0 GPa、拉伸模量230-290GPa。相比之下，小絲束碳纖維力學(xué)性能更加優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度3.5-7.0 GPa、拉伸模量230-650GPa。
從成本上看：民用聚丙烯腈原絲是制備大絲束碳纖維的原絲，通常原絲價(jià)格約為制備碳纖維成本的50~60%左右，因此，大絲束碳纖維的售價(jià)可以控制到小絲束碳纖維的50%-60%左右。市場(chǎng)上的一些大絲束碳纖維主要性能已經(jīng)接近甚至超過(guò)了部分小絲束碳纖維。
圖3 大小絲束性能成本對(duì)比
2. 大絲束碳纖維主要應(yīng)用領(lǐng)域
正是因?yàn)榇蠼z束性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，常把大絲束碳纖維運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域。碳纖維大絲束的性能雖然不比小絲束，但是其成本更低，隨著科技的發(fā)展，大絲束的運(yùn)用也更加廣泛。其主要可以應(yīng)用于機(jī)電、交通運(yùn)輸、土木建筑、能源、紡織等工業(yè)領(lǐng)域，因此也被稱(chēng)為工業(yè)級(jí)碳纖維。
根據(jù)《2016—2021全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，2021年國(guó)內(nèi)碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域分別是風(fēng)電葉片（36.10%）、體育休閑（28.10%）和碳/碳復(fù)材（11.30%）。
2021年國(guó)內(nèi)大絲束的主要應(yīng)用領(lǐng)域中風(fēng)電葉片占比第一。國(guó)內(nèi)碳纖維大絲束的主要具體細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域有風(fēng)電葉片、混配模成型、建筑、電纜芯與船舶。根據(jù)2021全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告中的數(shù)據(jù)，風(fēng)電葉片占主要大絲束應(yīng)用領(lǐng)域需求的78.4%，位居第一，第二與第三分別為占比10.5%的混配模成型與8.7%的建筑。
圖4 2021年中國(guó)主要大絲束需求—應(yīng)用（噸）
雖然大絲束碳纖維的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用繁多，其中風(fēng)電葉片仍然是需求提振主力。無(wú)論是全部碳纖維類(lèi)別還是大絲束碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域中，風(fēng)電葉片需求應(yīng)用均排名第一。其中，2021年我國(guó)大絲束需求中風(fēng)電葉片需求占比超過(guò)70%。風(fēng)電葉片在技術(shù)與材料的不斷變革中，尺寸更大、質(zhì)量更輕、性能更強(qiáng)成為核心訴求，能夠滿(mǎn)足上述訴求的增強(qiáng)材料屈指可數(shù)，碳纖維走進(jìn)人們視野。
海風(fēng)的發(fā)展為碳纖維在風(fēng)電葉片上的應(yīng)用提供了進(jìn)一步發(fā)展機(jī)遇。《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提供政策支撐，重點(diǎn)建設(shè)山東半島、長(zhǎng)三角、閩南、粵東和北部灣五大海上風(fēng)電基地。2021年中國(guó)累計(jì)海上風(fēng)電裝機(jī)容量為26.39GW。海風(fēng)葉片大型化趨勢(shì)相比陸風(fēng)更加明顯，目前最長(zhǎng)葉片已經(jīng)超過(guò)120米，且大型葉片運(yùn)輸相比陸地便捷。加之維斯塔斯碳梁拉擠工藝專(zhuān)利到期，我國(guó)在拉擠工藝上已實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，后續(xù)拉擠碳梁規(guī)模應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)碳纖維在葉片應(yīng)用滲透率提升。
3. 大絲束碳纖維的現(xiàn)狀
碳纖維是世界各國(guó)發(fā)展高新技術(shù)、國(guó)防尖端技術(shù)和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)先導(dǎo)，是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中最主要的發(fā)展方向之一。同時(shí)具有明顯的軍民兩用特征，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有非常重要的基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性和決定性作用。中國(guó)的碳纖維產(chǎn)業(yè)和國(guó)際先進(jìn)水平存在較大差距。
- 發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo)碳纖維的技術(shù)演進(jìn)
日本三大巨頭強(qiáng)勢(shì)壟斷，美、德緊隨其后。日本東麗一直以來(lái)是全球碳纖維制造的霸主，壟斷波音公司碳纖維的供應(yīng)，2020年，東麗與東邦、三菱在全球丙烯腈基碳纖維銷(xiāo)量市占率達(dá)50%以上。
在碳纖維小絲束市場(chǎng)，東麗、東邦和三菱合計(jì)占據(jù)了全球小絲束碳纖維名義產(chǎn)能的 70%以上，占據(jù)壟斷地位。美國(guó)緊隨其后，美國(guó)赫氏擁有40多年美國(guó)軍機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用碳纖維的經(jīng)驗(yàn)，2020年赫氏與美國(guó)氰特銷(xiāo)量的市占率達(dá)到12%。
在碳纖維大絲束市場(chǎng)，日本東麗收購(gòu)美國(guó)ZOLTEK后成為全球大絲束碳纖維的領(lǐng)頭羊，日本三菱也開(kāi)始加大大絲束碳纖維的投入。德國(guó)SGL公司緊隨其后，2020年的銷(xiāo)量全球市占率達(dá)到23%。
圖5 小絲束碳纖維市場(chǎng)份額和圖6 大絲束碳纖維市場(chǎng)份額
如下表所示了截止2021年3月日本東麗公司碳纖維全球產(chǎn)能及分布情況；在2021年3月，日本東麗公司常規(guī)規(guī)格（小絲束）碳纖維全球產(chǎn)能為2.877萬(wàn)噸/年，美國(guó)分公司和本土產(chǎn)能分別為9,900噸/年和8,970噸/年，大絲束碳纖維理論產(chǎn)能為2.61萬(wàn)噸/年（2020年產(chǎn)能為2.54萬(wàn)噸），碳纖維合計(jì)產(chǎn)能為5.487萬(wàn)噸。
圖7 日本東麗公司2021年3月全球碳纖維產(chǎn)能情況
下表顯示了截止2022年3月日本東麗公司碳纖維全球產(chǎn)能及分布情況，其中常規(guī)規(guī)格（小絲束）碳纖維全球產(chǎn)能以及在法國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)生產(chǎn)基地產(chǎn)能均保持不變；在大絲束碳纖維領(lǐng)域，日本東麗子公司Zoltek位于匈牙利、墨西哥生產(chǎn)基地產(chǎn)能由2.61萬(wàn)噸/年提高到2.90萬(wàn)噸/年；與2021年相比，碳纖維年總產(chǎn)能增加了3600噸。
圖8 日本東麗公司2022年3月全球碳纖維最新產(chǎn)能情況
得益于全球風(fēng)電等行業(yè)用碳纖維需求高速增長(zhǎng)，東麗公司不斷擴(kuò)大大絲束碳纖維產(chǎn)能，2021年11月，日本東麗公司通過(guò)官網(wǎng)發(fā)布資訊，其美國(guó)子公司Zoltek將耗資約1.3億美元（約140億元人民幣）于2023年前提升公司大絲束碳纖維。這也是公司于2021年內(nèi)第二次宣布產(chǎn)能提升計(jì)劃，在2021年6月，Zoltek公司已宣布將擴(kuò)大其位于墨西哥瓜達(dá)拉哈拉工廠(chǎng)的碳纖維生產(chǎn)能力。
經(jīng)過(guò)2021年內(nèi)的兩次產(chǎn)能提升計(jì)劃，預(yù)計(jì)產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)后，位于墨西哥Jalisco的Zoltek工廠(chǎng)大絲束碳纖維的年產(chǎn)能提升54%左右，達(dá)到20000噸以上，加上Zoltek在匈牙利工廠(chǎng)使得最終年產(chǎn)能合計(jì)提升至35000噸/年。此次東麗公司大絲束碳纖維年產(chǎn)能增加了3600噸也是產(chǎn)能快速擴(kuò)張的結(jié)果。
- 高增長(zhǎng)、高對(duì)外依存度是中國(guó)碳纖維的特點(diǎn)
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國(guó)碳纖維的總需求約4.89萬(wàn)噸，雖然有新冠疫情的沖擊但是仍然保持了29%的增速。
實(shí)際上，“十三五”期間，中國(guó)的碳纖維需求增速一直維持在兩位數(shù)以上。
受益于下游應(yīng)用的打開(kāi)，“十四五”期間中國(guó)的碳纖維需求增速可能仍然維持在一個(gè)非常高的增速水平。不僅如此，中國(guó)的碳纖維也一直維持著高對(duì)外依存度，2021年碳纖維行業(yè)整體進(jìn)口量為33064.56噸，較2020年上漲8.72%。
- 外部環(huán)境倒逼國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)升級(jí)
西方國(guó)家限制我們發(fā)展主要是小絲束碳纖維，相關(guān)領(lǐng)域存在嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)。對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域用碳纖維，西方國(guó)家一直利用其先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在價(jià)格上打壓本土企業(yè)。
2020年以來(lái)，受全球新冠疫情的影響，全球碳纖維的貿(mào)易整體受到較大沖擊，國(guó)外碳纖維出口國(guó)內(nèi)的難度加大。
2020年下半年以來(lái)，日本、美國(guó)加強(qiáng)了對(duì)碳纖維出口中國(guó)的政策管控，導(dǎo)致碳纖維進(jìn)口難度進(jìn)一步較大。
2020年12月，因東麗子公司出口碳纖維流入了未獲日本《外匯及外國(guó)貿(mào)易法》許可的中國(guó)企業(yè)，日本經(jīng)產(chǎn)省對(duì)該公司實(shí)施了行政指導(dǎo)警告，要求東麗子公司防止再次發(fā)生此類(lèi)事件，并徹底做好出口管理。從2020年底開(kāi)始，東麗暫停了對(duì)華出口碳纖維業(yè)務(wù)。
2021年2月，美國(guó)總統(tǒng)拜登簽署了行政命令，在聯(lián)邦機(jī)構(gòu)間展開(kāi)為期100天的審查，以解決四個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的漏洞，其中包括碳纖維，主要目標(biāo)是增強(qiáng)供應(yīng)鏈的彈性，以保護(hù)美國(guó)免于未來(lái)面臨關(guān)鍵產(chǎn)品短缺。
材料產(chǎn)業(yè)取得突破的核心在于規(guī)模化生產(chǎn)，并且能夠和上下游溝通應(yīng)用過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。海外管控強(qiáng)化和疫情反復(fù)實(shí)際上為本土企業(yè)脫穎而出提供了一個(gè)良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。
考慮到本土企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大絲束碳纖維的技術(shù)突破，同時(shí)，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)又在快速崛起。我們認(rèn)為歐美對(duì)華出口管控加強(qiáng)有可能利大于弊。
4. 我國(guó)大絲束碳纖維的發(fā)展?fàn)顩r
眾所周知，碳纖維是新能源、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造、新能源汽車(chē)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新型結(jié)構(gòu)材料，更是大型飛機(jī)、衛(wèi)星、船舶等裝備研制和更新?lián)Q代的重要基礎(chǔ)。
碳纖維復(fù)合材料（CFRP）以其優(yōu)異的性能在多個(gè)領(lǐng)域均有使用，但是由于碳纖維價(jià)格居高不下，加之復(fù)合材料的制備成本高，限制了其在民用領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用。目前汽車(chē)用碳纖維預(yù)浸料單價(jià)高達(dá)400元/kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的輕量化材料，主要應(yīng)用于豪華汽車(chē)和賽車(chē)，在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用總量很低。根據(jù)專(zhuān)業(yè)測(cè)算，汽車(chē)用碳纖維需要下降到60-100元/kg，經(jīng)濟(jì)性將能夠鋁合金相比。成本高是汽車(chē)用碳纖維大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的一大阻礙，是生產(chǎn)汽車(chē)用碳纖維產(chǎn)品的企業(yè)急需解決的一大難題。
碳纖維復(fù)合材料成本高的主要因素包括碳纖維原材料的生產(chǎn)成本較高和復(fù)合材料制備成本高等方面。因此，降低碳纖維復(fù)合材料成本的主要路徑是降低碳纖維原材料成本，尋求低成本纖維生產(chǎn)工藝以及低成本的CFRP制備工藝。其中，碳纖維原材料生產(chǎn)包括原絲、預(yù)氧化、碳化、表面上漿和卷繞成本。
如下表所示，PAN原絲占碳纖維生產(chǎn)成本的51%，是主要因素，其次是預(yù)氧化和碳化，成本占比分別為16%、23%。因此，目前有效的解決方法之一是發(fā)展大絲束碳纖維和新型碳纖維，日本三菱、東麗及美國(guó)的卓爾泰克公司開(kāi)發(fā)的大絲束碳纖維是低成本制造技術(shù)的典型代表。
圖9 碳纖維原絲成本結(jié)構(gòu)
- 用“中國(guó)技術(shù)”生產(chǎn)性能優(yōu)異的碳纖維
碳纖維技術(shù)有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘，此前大絲束碳纖維生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在美國(guó)、德國(guó)、日本的幾家大公司手中。我國(guó)的石化企業(yè)經(jīng)過(guò)多年努力成為是國(guó)內(nèi)第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術(shù)的企業(yè)。
大絲束碳纖維研發(fā)的主要難點(diǎn)包括大絲束碳纖維制備過(guò)程中氧化反應(yīng)放熱的有效控制、一束絲4.8萬(wàn)根碳纖維的紡絲均勻穩(wěn)定性控制，以及生產(chǎn)線(xiàn)連續(xù)運(yùn)行周期和穩(wěn)定性。
為了在大絲束碳纖維制備中真正用上“中國(guó)技術(shù)”，我國(guó)從裝備到工藝，為大絲束碳纖維量身定制了專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)，根據(jù)大絲束碳纖維的生產(chǎn)要求自行設(shè)計(jì)氧化爐、碳化爐，不僅成功掌握了控制溫度場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，而且進(jìn)行了節(jié)能型設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)能源綜合利用。
此外，通過(guò)采用聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)獲得良好熱性能原絲，系統(tǒng)研究紡絲原液流變性能保證原絲質(zhì)量穩(wěn)定性，開(kāi)發(fā)特殊的連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)，大大減少停車(chē)次數(shù)，極大提高生產(chǎn)效率。
- 國(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維已開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化布局
上海石化首條48K大絲束碳纖維國(guó)產(chǎn)線(xiàn)可實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、高品質(zhì)生產(chǎn)。該項(xiàng)目計(jì)劃于2024年全部建成投產(chǎn)，屆時(shí)將達(dá)到2.4萬(wàn)噸/年原絲、1.2萬(wàn)噸/年大絲束碳纖維產(chǎn)能。
自主研發(fā)大絲束碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)，將給整個(gè)碳纖維市場(chǎng)帶來(lái)最大的影響是隨著碳纖維國(guó)產(chǎn)化的不斷推進(jìn)，對(duì)市場(chǎng)最大的影響是進(jìn)口碳纖維價(jià)格的下降。
數(shù)據(jù)顯示，隨著國(guó)內(nèi)碳纖維國(guó)產(chǎn)化的推進(jìn)，進(jìn)口碳纖維價(jià)格預(yù)計(jì)將從最高每噸4.5萬(wàn)美元降至每噸1萬(wàn)美元左右，這對(duì)于全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)利好消息。
數(shù)據(jù)顯示，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬(wàn)噸，其中大絲束碳纖維需求量為51400噸，占比約43.5%，在新能源、風(fēng)電、光伏、汽車(chē)、體育用品等下游市場(chǎng)的應(yīng)用需求將逐漸爆發(fā), 滲透率不斷提升。
我國(guó)碳纖維行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，根據(jù)目前各企業(yè)已宣布的投資擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，如果所有建設(shè)項(xiàng)目可以順利投產(chǎn)落地，“十四五”末期，中國(guó)新增碳纖維產(chǎn)能將達(dá)21萬(wàn)噸以上，其中新增大絲束碳纖維產(chǎn)能達(dá)17.6萬(wàn)噸，中國(guó)大絲束產(chǎn)能擴(kuò)張時(shí)代將隨之開(kāi)啟。
預(yù)計(jì)2030年，我國(guó)大絲束碳纖維產(chǎn)值應(yīng)該能達(dá)到500億元量級(jí)，將帶動(dòng)千億級(jí)的復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模。除了大絲束碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)，中國(guó)石化也正大力推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用。中國(guó)石化有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，在未來(lái)的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，中國(guó)石化將在科研方面繼續(xù)加大投入，產(chǎn)業(yè)方面加快布局，機(jī)制體制方面深化創(chuàng)新，應(yīng)用場(chǎng)景全面推廣，同時(shí)，堅(jiān)持走自己的道路，做自己的特色產(chǎn)品。在“十四五”末，中國(guó)石化將在多種工藝流程實(shí)現(xiàn)通用級(jí)、大絲束、小絲束、高性能等產(chǎn)品的全面突破，進(jìn)行總體布局，滿(mǎn)足國(guó)家各個(gè)領(lǐng)域的需求，為引領(lǐng)和推動(dòng)中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
5. 大絲束碳纖維的市場(chǎng)前景
風(fēng)能領(lǐng)域是主要驅(qū)動(dòng)因素。截至2021年底，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模328GW，占全球比例為39.2%，其中2021年新增47.57GW。雙碳背景下風(fēng)電行業(yè)持續(xù)高景氣，風(fēng)電材料升級(jí)轉(zhuǎn)型加速雙碳背景下可再生能源發(fā)展進(jìn)入快車(chē)道，風(fēng)電是我國(guó)僅次于煤電和水電的第三大發(fā)電來(lái)源，也是發(fā)展最快的可再生能源之一。根據(jù)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，到2025年，可再生能源發(fā)電量達(dá)到3.3萬(wàn)億千瓦時(shí)，風(fēng)電發(fā)電量較2020年實(shí)現(xiàn)翻倍，5年復(fù)合增速達(dá)到15%。隨著我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)升級(jí)降本的過(guò)程中，葉片材料革新以及海風(fēng)加速崛起帶來(lái)的大絲束碳纖維材料正在迎來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。目前風(fēng)能領(lǐng)域的碳纖維以24K-50K范圍的高強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)拉伸模量、大絲束碳纖維為主，預(yù)計(jì)2025年風(fēng)電材料市場(chǎng)總規(guī)模將超過(guò)1400億元，較2021年翻倍。
圖10 我國(guó)碳纖維需求量（噸）
鑒于大絲束碳纖維下游風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)氫瓶、體育休閑、電子、汽車(chē)船舶等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ湫枨笸苿?dòng)力不等，且大絲束碳纖維在工業(yè)應(yīng)用上更具成本優(yōu)勢(shì)，大絲束碳纖維在2023年總需求為4.75萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)48.38%。其中風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維需求為3.8萬(wàn)噸，同比增加61.31%。其中海風(fēng)貢獻(xiàn)了1.4萬(wàn)噸需求。預(yù)計(jì)在2025年我國(guó)風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維需求量達(dá)到7.82萬(wàn)噸，復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)40%。若碳纖維制造成本逐漸降低，碳纖維風(fēng)電領(lǐng)域需求釋放節(jié)奏將進(jìn)一步加快。
供給創(chuàng)造需求的動(dòng)態(tài)平衡有望是未來(lái)常態(tài)。若隨著產(chǎn)能提升—規(guī)模效應(yīng)體現(xiàn)—成本下降，而帶來(lái)的價(jià)格下降，則下游應(yīng)用領(lǐng)域的滲透率將會(huì)得到提升，未來(lái)大絲束碳纖維價(jià)格將會(huì)呈現(xiàn)：供給增加—價(jià)格下降—需求增加—價(jià)格上升—供給增加的動(dòng)態(tài)平衡中，整體價(jià)格趨勢(shì)將波動(dòng)式下降。
圖11 我國(guó)大絲束碳纖維需求預(yù)測(cè)
我國(guó)在碳纖維領(lǐng)域的重大突破
性能優(yōu)異的碳纖維，因?yàn)橹苽潆y、技術(shù)壁壘高等特點(diǎn)，逐漸成為全球在材料研究領(lǐng)域展開(kāi)競(jìng)賽的目標(biāo)。特別是由于發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)碳纖維技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的專(zhuān)利保護(hù)和全面的技術(shù)封鎖，導(dǎo)致新興國(guó)家在發(fā)展碳纖維上舉步維艱。我國(guó)早在20世紀(jì)50年代后期就展開(kāi)了碳纖維的技術(shù)研究，但由于基礎(chǔ)研究落后，碳纖維的產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直在低水平徘徊，與國(guó)外的差距逐漸拉大。
2000年以后，全球碳纖維供不應(yīng)求，進(jìn)口碳纖維非常困難，嚴(yán)重影響國(guó)防安全。在此關(guān)鍵時(shí)刻，2001年，83歲的戰(zhàn)略科學(xué)家?guī)煵w院士給中共中央寫(xiě)了《關(guān)于加速開(kāi)發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告》，得到高度重視，對(duì)推動(dòng)我國(guó)碳纖維研發(fā)與投入產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
歷經(jīng)多年艱苦攻關(guān)，如今我國(guó)宇航級(jí)碳纖維的產(chǎn)品性能已經(jīng)達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平。從落后到奮起直追，我國(guó)在碳纖維研究的關(guān)鍵技術(shù)上取得了哪些重大突破？未來(lái)在碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，還有哪些亟待開(kāi)拓的空間？
我們解決了國(guó)產(chǎn)宇航級(jí)碳纖維的有無(wú)，這是一個(gè)很不簡(jiǎn)單的事情。到目前為止，中國(guó)碳纖維主要的成績(jī)體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。
第一是突破了碳纖維制備的關(guān)鍵技術(shù)，相繼實(shí)現(xiàn)了系列碳纖維（包括T300級(jí)、T700級(jí)和T800級(jí)）的國(guó)產(chǎn)化，解決了航天、航空等國(guó)防工業(yè)的自主保障問(wèn)題。
第二是建立了若干個(gè)高水平碳纖維和復(fù)合材料的研究研制平臺(tái)，形成了包括高校、科研院所、大型企業(yè)在內(nèi)的研發(fā)格局，正在推動(dòng)碳纖維和復(fù)合材料的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新階段，這個(gè)新階段可以說(shuō)是從量變到質(zhì)變的過(guò)程。
第三是在這些工作的基礎(chǔ)上，建立了百?lài)嵓?jí)的宇航級(jí)碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)，后續(xù)又相繼開(kāi)工了工業(yè)級(jí)的一些碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)，所以國(guó)外碳纖維的價(jià)格就發(fā)生了很大變化。大概2009年到2014年這5年，T700這種工業(yè)級(jí)的碳纖維價(jià)格降到了原來(lái)的三分之一，宇航級(jí)碳纖維價(jià)格降到了以前的十分之一。所以自主解決碳纖維的有無(wú)，無(wú)論是從經(jīng)濟(jì)上，還是從社會(huì)效益方面都有很大的貢獻(xiàn)。
2010年后，地方政府的積極性和熱情大漲，民營(yíng)企業(yè)投資的熱度非常高，所以國(guó)內(nèi)的碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)放量建設(shè)，最多的時(shí)候碳纖維企業(yè)達(dá)到了40多家。近兩年這種放量的趨勢(shì)正在放緩，在高質(zhì)量發(fā)展的推動(dòng)下，現(xiàn)在不再一味追求增加產(chǎn)能。近期我國(guó)大型國(guó)企正在尋求建立高水平的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和研發(fā)平臺(tái)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和轉(zhuǎn)型。
未來(lái)碳纖維的產(chǎn)業(yè)之路該如何走
在應(yīng)用方面，現(xiàn)在碳纖維還比較普遍地存在用不起和不會(huì)用的問(wèn)題，很多工業(yè)領(lǐng)域目前還不會(huì)用碳纖維。現(xiàn)階段形成了碳纖維發(fā)展的一個(gè)天花板，但是這個(gè)天花板不是固定的。目前亟須解決以下幾個(gè)問(wèn)題。
實(shí)現(xiàn)物美價(jià)廉。要做到價(jià)廉，解決貴的問(wèn)題，首先是降低成本，就是要把生產(chǎn)線(xiàn)的效率提上來(lái)，包括工藝裝備的容量，聚合釜的容量，紡絲的幅寬，碳化的幅寬。這中間裝備的設(shè)計(jì)和研制是非常關(guān)鍵的，應(yīng)該盡快解決單線(xiàn)產(chǎn)能從數(shù)百?lài)嵓?jí)提高到兩千噸級(jí)。
拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。要擴(kuò)大應(yīng)用，首先是擴(kuò)大我國(guó)民用航空的應(yīng)用。未來(lái)，中國(guó)在20年內(nèi)需要9000架民用客機(jī)，年均大概是450架。如果每架飛機(jī)碳纖維平均用量能達(dá)到5噸，那么碳纖維的年均需求就可以達(dá)到2250噸，這個(gè)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我國(guó)目前軍用、國(guó)防、航空碳纖維的用量，可以有力地拉動(dòng)碳纖維的應(yīng)用和發(fā)展。
汽車(chē)輕量化和綠色低碳化這個(gè)發(fā)展潮流不可阻擋，也將為我國(guó)碳纖維和復(fù)合材料行業(yè)帶來(lái)巨大的市場(chǎng)拉動(dòng)力。據(jù)估計(jì)，2025年中國(guó)的汽車(chē)產(chǎn)量將達(dá)到3000萬(wàn)輛，如果每輛汽車(chē)用5公斤碳纖維，這樣碳纖維的總用量也能達(dá)到15萬(wàn)噸，這是碳纖維一定要千方百計(jì)突破的一個(gè)應(yīng)用出口。
還有一個(gè)很重要的方面，我國(guó)碳纖維在體育用品方面的用量，2020年已經(jīng)達(dá)到了1.46萬(wàn)噸，但是主要是帶料加工，用的主要還是國(guó)外的纖維，這是一個(gè)很大的市場(chǎng)。因?yàn)橹袊?guó)的人口基數(shù)大，同時(shí)還能帶動(dòng)我國(guó)健康產(chǎn)業(yè)碳纖維應(yīng)用，這個(gè)市場(chǎng)也能達(dá)到數(shù)萬(wàn)噸的規(guī)模。
加大自主創(chuàng)新。要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展，加快解決高強(qiáng)、高模、高韌這一類(lèi)碳纖維的自主發(fā)展問(wèn)題。我們不可能從國(guó)外跟蹤甚至引進(jìn)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，需要做碳纖維和用碳纖維的人一起來(lái)解決第三代先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新的問(wèn)題，要搶占科技制高點(diǎn)。
另外，創(chuàng)新發(fā)展還有一個(gè)很重要的方向，就是要發(fā)展顛覆性的低成本技術(shù)，如果能實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)目標(biāo)，就是劃時(shí)代的成就。要把碳纖維的價(jià)格降到每公斤10美元以下，現(xiàn)在距離這個(gè)目標(biāo)還有比較大的距離。能不能另辟蹊徑？從目前來(lái)看有兩個(gè)方向。
第一就是變革性的原絲技術(shù)，不用現(xiàn)在的聚丙烯腈，用天然纖維（天然廢物的纖維），像木質(zhì)素，或者用非常容易制造的低成本的有機(jī)纖維，甚至還有人提出可以用澳大利亞的羊駝跟其他原材料一起混紡的纖維，這些途徑都值得探索。目前迫切需要變革性的原絲技術(shù)，因?yàn)樵z的成本在碳纖維成本中占到了50%左右。
第二就是要發(fā)展變革性的碳化技術(shù)，碳化的成本也占到了碳纖維成本20%以上。現(xiàn)在有一些方向，要做短流程的碳化，用等離子體輔助的碳化這樣一些變革性的碳化技術(shù)，碳纖維最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，要跨過(guò)這個(gè)門(mén)檻。
現(xiàn)在來(lái)看，世界上無(wú)論從碳纖維本身，還是從碳纖維的應(yīng)用，仍然存在巨大的未知和沒(méi)有開(kāi)拓的空間。隨著科技和工業(yè)革命的深入發(fā)展，碳纖維必將大展宏圖，既能夠幫助我們遨游太空，也將走入千家萬(wàn)戶(hù)，真正成為第四次工業(yè)革命重要的助推力量。