作為高性能纖維的重要一員，碳纖維是高科技纖維的典型代表，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新情況一直備受世界各國關(guān)注。在復(fù)雜多變的環(huán)境下，全球碳纖維產(chǎn)業(yè)近三年的競爭格局發(fā)生了深刻變化。
經(jīng)歷了多年的“內(nèi)功”修煉和產(chǎn)業(yè)沉淀，近幾年，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)抓住難得的發(fā)展機遇期，乘勢而上，發(fā)展形勢非常好。北京化工大學(xué)教授徐樑華介紹，產(chǎn)業(yè)形成了聚丙烯腈基(PAN)、粘膠基、瀝青基三種類別的齊全碳纖維制備體系;國產(chǎn)碳纖維高性能化技術(shù)由二甲基亞砜法(DMSO)體系突破，已形成了以二甲基亞砜法(DMSO)為主，二甲基乙酰胺法(DMAc)和硫氰酸鈉法(NaSCN)共同參與的原絲制備技術(shù)體系;形成了濕法紡絲和干濕法紡絲、小絲束與大絲束工藝齊頭并進(jìn)的多元化產(chǎn)品體系;形成了高強、高強中模、高模、高強高模系列這樣齊全的產(chǎn)品體系。同時，產(chǎn)業(yè)形成了碳纖維、輔料助劑、評價表征、裝備研制、應(yīng)用服務(wù)等全方位發(fā)展的格局。從生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品系列看，我國大多數(shù)碳纖維龍頭企業(yè)都采用二甲基亞砜法(DMSO)生產(chǎn)技術(shù)，包括光威復(fù)材、中復(fù)神鷹、江蘇恒神、中簡科技等。威海光威復(fù)合材料股份有限公司已經(jīng)形成了高強、高強中模、高模、高強高模系列化碳纖維產(chǎn)品，積累了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝制造技術(shù)，產(chǎn)品在航空航天、電子通訊、清潔能源、工業(yè)制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。今年上半年，光威復(fù)材實現(xiàn)營業(yè)收入12.24億元，歸屬于上市公司股東的凈利潤為4.13億元。位于吉林市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的吉林碳谷碳纖維股份有限公司，是國內(nèi)最大的原絲生產(chǎn)企業(yè)，采用二甲基乙酰胺法(DMAc)原絲生產(chǎn)技術(shù)。該公司在大絲束領(lǐng)域推進(jìn)“高品質(zhì)”“通用化”，在小絲束領(lǐng)域推進(jìn)“高性能”“專業(yè)化”，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于航天航空、風(fēng)電、高端裝備、新能源、體育休閑用品等領(lǐng)域。今年上半年，吉林碳谷實現(xiàn)營業(yè)收入12.03億元，歸屬凈利潤為2.68億元。蘭州藍(lán)星纖維有限公司、上海石化則采用硫氰酸鈉法(NaSCN)原絲生產(chǎn)技術(shù)。從產(chǎn)業(yè)規(guī)模看，2022年，我國碳纖維總產(chǎn)能為11.2萬噸，占全球的43%;我國碳纖維產(chǎn)量為4.5萬噸，占全球的33.3%;我國市場碳纖維用量為7.44萬噸，占全球市場碳纖維總用量13.5萬噸的55.1%。從應(yīng)用領(lǐng)域看，2022年，國際市場風(fēng)電葉片碳纖維用量是3.47萬噸，體育休閑領(lǐng)域用量是2.4萬噸，航空航天軍工領(lǐng)域用量是2.01萬噸。我國碳纖維最大的應(yīng)用領(lǐng)域是體育休閑，其次是風(fēng)電。2022年，我國體育休閑領(lǐng)域碳纖維用量是2.3萬噸，風(fēng)電葉片領(lǐng)域用量是1.75萬噸，航空航天軍工領(lǐng)域用量是7800噸。徐樑華表示:“未來，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)要形成均衡化的碳纖維制備技術(shù);要繼續(xù)支持大絲束碳纖維發(fā)展，因為大絲束技術(shù)可以提升碳纖維制備效率，也可以提升復(fù)合材料的制備效率;要研發(fā)新型原絲制備技術(shù)，比如要進(jìn)一步研究熔融紡絲是否真的不可行、干法紡絲和凝膠紡絲是否可行等技術(shù)問題;要研發(fā)高效紡絲技術(shù)，如對位芳綸的干濕法紡絲技術(shù)是否可以移植到PAN原絲制備中;要研發(fā)徑向結(jié)構(gòu)均質(zhì)化的粗直徑纖維制備技術(shù)，以提高碳纖維制備效率;要確保纖維絲束平穩(wěn)運行的裝備技術(shù)，以提高碳纖維品質(zhì)。”徐樑華還表示，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展，解決如何“用好”產(chǎn)品是首要問題，要持續(xù)解決產(chǎn)品“不好用”“用不好”“用不起”的問題。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要有新方向，要重點解決復(fù)合材料環(huán)節(jié)的短板，繼續(xù)推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料性能的均衡化發(fā)展。同時，創(chuàng)新要務(wù)實，要瞄準(zhǔn)復(fù)合材料的制備效率和應(yīng)用效益。“高性能化、高制備效率是碳纖維產(chǎn)業(yè)永恒的主題。需要注意的是，下游用戶總說碳纖維貴，但實際上，下游用戶用的是復(fù)合材料，是復(fù)合材料貴。接下來，碳纖維企業(yè)在自身實現(xiàn)低成本化的同時，還要著眼于如何協(xié)同復(fù)合材料企業(yè)實現(xiàn)低成本。大家同處于新材料這條產(chǎn)業(yè)鏈上，復(fù)合材料企業(yè)不能老盯著‘碳纖維要更便宜’，自身也要通過結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計為整個新材料行業(yè)提供利潤空間。”徐樑華強調(diào)。
吉林省是我國最早開展研制碳纖維的省份，經(jīng)過50多年的發(fā)展，目前已成為我國三大碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)聚集地之一。尤其是近幾年，吉林省和吉林市的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展引人矚目。
吉林省政協(xié)副主席蔡國偉介紹，近年來，特別是今年以來，吉林省全力打造龍頭企業(yè)，開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)生態(tài)，如出臺支持吉林化纖創(chuàng)建世界一流專精特新示范企業(yè)的若干舉措，舉全省之力推動吉林化纖做強做優(yōu)做大;實施科技成果轉(zhuǎn)化“雙千工程”，開展T700、T800、T1000及100K大絲束碳纖維原絲與碳化技術(shù)，碳纖維油劑、上漿劑及改性樹脂等產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化;推進(jìn)吉林化纖15萬噸碳纖維原絲、6萬噸碳纖維等項目建設(shè)，配套開展碳纖維原絲干噴濕法紡絲、碳絲縮短預(yù)氧化時間、碳化廢氣處理、碳纖維復(fù)材回收利用等生產(chǎn)技術(shù)工藝改造;率先推動吉林市碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模躍升、技術(shù)迭代、集群發(fā)展。
記者了解到，針對碳纖維企業(yè)十分關(guān)注的用電成本，吉林省采取“風(fēng)火打捆”模式，給予重點碳纖維企業(yè)政策支持，降低企業(yè)的用電成本。
吉林省的碳纖維產(chǎn)業(yè)主要集聚在吉林市。
吉林市委書記胡斌表示，吉林省明確提出，要舉全省之力支持吉林化纖做大做強，加快培育千億元級碳纖維產(chǎn)業(yè)集群，并實行省級統(tǒng)籌、提級管理。吉林市把發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)作為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的一項重要戰(zhàn)略舉措，將加快實施吉林化纖40萬噸碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈、1萬噸高端碳纖維材料等重點項目，全面進(jìn)軍碳纖維復(fù)材領(lǐng)域，開辟大絲束碳纖維與汽車輕量化、航空航天、國防軍工、新能源、冰雪裝備等領(lǐng)域融合發(fā)展的新賽道，打造世界最大的碳纖維產(chǎn)業(yè)基地。
吉林化纖集團有限公司位于吉林市，已形成了“丙烯腈-丙烯腈基原絲-碳絲-下游制品”的完整碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈條，被國家納入創(chuàng)建世界一流專精特新示范企業(yè)名單，是吉林省唯一入選的地方企業(yè)。
在吉林化纖旗下一個碳纖維碳化車間，一排排白色的原絲整齊排列在車間這一頭，經(jīng)過碳化工序后，黑色的碳絲從車間另一頭下線，車間長度達(dá)幾百米。
該公司董事長宋德武介紹，碳纖維是公司近年來迅速發(fā)展和壯大的新型產(chǎn)品系列。目前公司的原絲產(chǎn)能為16萬噸/年，碳纖維產(chǎn)能達(dá)4.9萬噸/年，正在向通用復(fù)材領(lǐng)域發(fā)展。吉林化纖的原絲、碳絲產(chǎn)量居行業(yè)前列，碳纖維板塊產(chǎn)值自2020年以來已連續(xù)3年實現(xiàn)翻番。
在產(chǎn)學(xué)研合作方面，吉林化纖與長春工業(yè)大學(xué)聯(lián)合建設(shè)了吉林省碳纖維產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心。
“接下來，公司將繼續(xù)推進(jìn)碳纖維戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展。在碳纖維板塊，公司將堅持產(chǎn)業(yè)鏈一體化立體建設(shè)，按照原絲、碳化、復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈一體化的思路，堅持兩束三全雙路線的發(fā)展定位，25K、35K、50K產(chǎn)品在生產(chǎn)技術(shù)上均日臻成熟，小絲束在特殊領(lǐng)域基本上是定制化。”宋德武說。
“未來，吉林省將牢牢抓住自主創(chuàng)新這個牛鼻子，不斷豐富拓展應(yīng)用場景，加快打造較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)集群，材料產(chǎn)業(yè)、碳纖維產(chǎn)業(yè)應(yīng)用融合等基地，推動碳纖維產(chǎn)業(yè)成鏈、成群、成勢;培育世界一流專精特新示范企業(yè)，提高碳纖維產(chǎn)業(yè)的吉林影響力。”蔡國偉說。
全球碳纖維技術(shù)創(chuàng)新有哪些新方向，有哪些具有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域值得關(guān)注？
德國亞琛大學(xué)紡織技術(shù)研究院助理研究員德尼茲·耶西爾尤特介紹，碳纖維復(fù)材的回收利用目前大多是進(jìn)行降級回收，將其加工成短纖維。隨著人們對儲氫瓶及其回收利用越來越感興趣，已經(jīng)能從中回收高質(zhì)量的連續(xù)纖維。這運用了基于熱解或溶劑分解的工藝，后者還可以對基質(zhì)進(jìn)行回收利用。然而，缺乏表面活性的再生碳纖維對基質(zhì)的黏附力較低，且未上漿的纖維可能會在退解中受損。為了解決這些問題，亞琛大學(xué)開發(fā)了一種新方法，通過優(yōu)化碳纖維的表面處理和上漿，降低碳纖維的回收損失，并提高回收效率。德國亞琛大學(xué)紡織技術(shù)研究院助理研究員劉子文介紹了一種新方法:利用低成本的高錳酸鉀或氮氣作為預(yù)處理介質(zhì)，可以將碳纖維的穩(wěn)定化時間縮短20%、能源成本降低20%、纖維損耗減少5%，縮短將聚丙烯腈熱轉(zhuǎn)化為碳纖維的工藝時間，提高轉(zhuǎn)化效率，從而降低碳纖維生產(chǎn)過程中的能耗和成本。在應(yīng)用方面，隨著性價比的持續(xù)優(yōu)化，碳纖維在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用空間正在逐漸打開。中國一汽研發(fā)總院高端汽車集成與控制全國重點實驗室副主任葉福恒介紹，汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑。車重每減少100千克，二氧化碳排放量可減少5克/千米。在提升汽車競爭力方面，輕量化能帶來汽車綜合性能的提升。如果整車降重10%，續(xù)航里程就會提高10%，制動距離會減少3%-4%，減速時間會減少6%-8%，輪胎壽命會提高7%，會提高汽車整體的操控性能、耐久性能、電池能量密度等。“碳纖維復(fù)材以其輕質(zhì)高強、設(shè)計集成度高和抗疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)點，成為汽車深度輕量化的理想材料。碳纖維復(fù)材在汽車上的應(yīng)用，逐漸由以前的賽車、超級跑車向中高端乘用車延伸，應(yīng)用部件由覆蓋件、裝飾件向結(jié)構(gòu)件和次結(jié)構(gòu)件拓展，應(yīng)用方式也由原來的小批量生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)向大批量自動化生產(chǎn)工藝。”葉福恒說。比如，以前，蘭博基尼座艙、前唇和尾翼，邁凱倫座艙、發(fā)動機罩應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料;現(xiàn)在，寶馬i3、寶馬7、奧迪A8在整體式車身、車身結(jié)構(gòu)件、車身次結(jié)構(gòu)件等方面都實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料的自動化量產(chǎn)工藝。其中，奧迪A8的碳纖維后背板采用福伊特的自動鋪帶系統(tǒng)生產(chǎn)，配合全自動化的成型和裝配技術(shù)，單天的產(chǎn)能達(dá)到300件。一汽在這方面也正在展開探索。葉福恒介紹，基于一款傳統(tǒng)的燃油車型，一汽將其承載式結(jié)構(gòu)車身設(shè)計成碳纖維成員艙和鋁車架組成的非承載式車身。一汽將碳纖維復(fù)材用于包裹架，通過集成化設(shè)計，將一款車的包裹架和包裹架隔板集成為一體，實現(xiàn)降重約40%。針對一款紅旗車型，一汽還對發(fā)動機罩、行李箱蓋進(jìn)行了碳纖化(碳玻混合)技術(shù)開發(fā)，從而使發(fā)動機罩的重量由此前的23.1千克降至10千克，使行李箱蓋的重量由此前的13.4千克降至6.8千克。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年，在國際市場和我國市場，碳纖維在汽車領(lǐng)域的用量分別為9500噸、2400噸。“多材料混合用材將助推碳纖維在汽車上的應(yīng)用。隨著預(yù)期成本不斷降低，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，碳纖維在汽車上的用材占比和用量有望呈現(xiàn)上升趨勢。”葉福恒說。儲氫瓶也是碳纖維很有潛力的應(yīng)用增長點。北京科泰克科技有限責(zé)任公司技術(shù)總監(jiān)趙亮介紹，目前應(yīng)用最廣泛、最便捷的車載儲氫技術(shù)是高壓氣態(tài)儲氫。綜合考慮壓縮能耗、續(xù)航里程、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資等因素，世界各國均將70MPa高壓氣態(tài)儲氫列為發(fā)展目標(biāo)和研究重點。纖維的選擇是決定氣瓶性能的關(guān)鍵。碳纖維全纏繞結(jié)構(gòu)具有重容比小、單位質(zhì)量儲氫密度高等優(yōu)點，并且，采用纏繞線形的細(xì)化設(shè)計，可以提升氣瓶的綜合性能。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2022年，國際市場上壓力容器領(lǐng)域的碳纖維用量是1.48萬噸，我國壓力容器領(lǐng)域的碳纖維用量是6000噸。從增長率方面看，全球市場上碳纖維用量最大的領(lǐng)域目前是風(fēng)電葉片，但是，2021年到2022年，壓力容器領(lǐng)域的碳纖維應(yīng)用增長率為34.5%，遠(yuǎn)高于風(fēng)電葉片領(lǐng)域5.15%的應(yīng)用增長率。“結(jié)構(gòu)和功能一體化是碳纖維的發(fā)展方向，高質(zhì)量、低成本和廣應(yīng)用是碳纖維行業(yè)發(fā)展的新動能。航空航天和國防工業(yè)用碳纖維始終是碳纖維行業(yè)的發(fā)展重點，其消費年增長率將達(dá)到10.3%。”中國科學(xué)院院士、東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長朱美芳這樣表示。
來源：中國紡織報，作者：同黎娜
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