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，其產業發展和科技創新情況一直備受世界各國關注。在復雜多變的環境下，全球碳纖維產業近三年的競爭格局發生了深刻變化。
經歷了多年的“內功”修煉和產業沉淀，近幾年，我國碳纖維產業抓住難得的發展機遇期，乘勢而上，發展形勢非常好。北京化工大學教授徐樑華介紹，產業形成了聚丙烯腈基(PAN)、粘膠基、瀝青基三種類別的齊全碳纖維制備體系;國產碳纖維高性能化技術由二甲基亞砜法(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的多元化產品體系;形成了高強、高強中模、高模、高強高模系列這樣齊全的產品體系。同時，產業形成了碳纖維、輔料助劑、評價表征、裝備研制、應用服務等全方位發展的格局。從生產技術和產品系列看，我國大多數碳纖維龍頭企業都采用二甲基亞砜法(DMSO)生產技術，包括光威復材、中復神鷹、江蘇恒神、中簡科技等。威海光威復合材料股份有限公司已經形成了高強、高強中模、高模、高強高模系列化碳纖維產品，積累了一系列具有自主知識產權的工藝制造技術，產品在航空航天、電子通訊、清潔能源、工業制造等領域廣泛應用。今年上半年，光威復材實現營業收入12.24億元，歸屬于上市公司股東的凈利潤為4.13億元。位于吉林市經濟技術開發區的吉林碳谷碳纖維股份有限公司，是國內最大的原絲生產企業，采用二甲基乙酰胺法(DMAc)原絲生產技術。該公司在大絲束領域推進“高品質”“通用化”，在小絲束領域推進“高性能”“專業化”，產品已廣泛應用于航天航空、風電、高端裝備、新能源、體育休閑用品等領域。今年上半年，吉林碳谷實現營業收入12.03億元，歸屬凈利潤為2.68億元。蘭州藍星纖維有限公司、上海石化則采用硫氰酸鈉法(NaSCN)原絲生產技術。從產業規模看，2022年，我國碳纖維總產能為11.2萬噸，占全球的43%;我國碳纖維產量為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%。從應用領域看，2022年，國際市場風電葉片碳纖維用量是3.47萬噸，體育休閑領域用量是2.4萬噸，航空航天軍工領域用量是2.01萬噸。我國碳纖維最大的應用領域是體育休閑，其次是風電。2022年，我國體育休閑領域碳纖維用量是2.3萬噸，風電葉片領域用量是1.75萬噸，航空航天軍工領域用量是7800噸。徐樑華表示:“未來，我國碳纖維產業要形成均衡化的碳纖維制備技術;要繼續支持大絲束碳纖維發展，因為大絲束技術可以提升碳纖維制備效率，也可以提升復合材料的制備效率;要研發新型原絲制備技術，比如要進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問題;要研發高效紡絲技術，如對位芳綸的干濕法紡絲技術是否可以移植到PAN原絲制備中;要研發徑向結構均質化的粗直徑纖維制備技術，以提高碳纖維制備效率;要確保纖維絲束平穩運行的裝備技術，以提高碳纖維品質。”徐樑華還表示，我國碳纖維產業未來的發展，解決如何“用好”產品是首要問題，要持續解決產品“不好用”“用不好”“用不起”的問題。產業的發展要有新方向，要重點解決復合材料環節的短板，繼續推進碳纖維復合材料性能的均衡化發展。同時，創新要務實，要瞄準復合材料的制備效率和應用效益。“高性能化、高制備效率是碳纖維產業永恒的主題。需要注意的是，下游用戶總說碳纖維貴，但實際上，下游用戶用的是復合材料，是復合材料貴。接下來，碳纖維企業在自身實現低成本化的同時，還要著眼于如何協同復合材料企業實現低成本。大家同處于新材料這條產業鏈上，復合材料企業不能老盯著‘碳纖維要更便宜’，自身也要通過結構的創新設計為整個新材料行業提供利潤空間。”徐樑華強調。
吉林省是我國最早開展研制碳纖維的省份，經過50多年的發展，目前已成為我國三大碳纖維及復合材料產業聚集地之一。尤其是近幾年，吉林省和吉林市的碳纖維產業發展引人矚目。
吉林省政協副主席蔡國偉介紹，近年來，特別是今年以來，吉林省全力打造龍頭企業，開展關鍵核心技術攻關，優化產業生態，如出臺支持吉林化纖創建世界一流專精特新示范企業的若干舉措，舉全省之力推動吉林化纖做強做優做大;實施科技成果轉化“雙千工程”，開展T700、T800、T1000及100K大絲束碳纖維原絲與碳化技術，碳纖維油劑、上漿劑及改性樹脂等產業關鍵技術攻關和成果轉化;推進吉林化纖15萬噸碳纖維原絲、6萬噸碳纖維等項目建設，配套開展碳纖維原絲干噴濕法紡絲、碳絲縮短預氧化時間、碳化廢氣處理、碳纖維復材回收利用等生產技術工藝改造;率先推動吉林市碳纖維產業規模躍升、技術迭代、集群發展。
記者了解到，針對碳纖維企業十分關注的用電成本，吉林省采取“風火打捆”模式，給予重點碳纖維企業政策支持，降低企業的用電成本。
吉林省的碳纖維產業主要集聚在吉林市。
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業集群，并實行省級統籌、提級管理。吉林市把發展碳纖維產業作為轉變經濟增長方式、優化產業結構的一項重要戰略舉措，將加快實施吉林化纖40萬噸碳纖維全產業鏈、1萬噸高端碳纖維材料等重點項目，全面進軍碳纖維復材領域，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、冰雪裝備等領域融合發展的新賽道，打造世界最大的碳纖維產業基地。
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”的完整碳纖維產業鏈條，被國家納入創建世界一流專精特新示范企業名單，是吉林省唯一入選的地方企業。
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，經過碳化工序后，黑色的碳絲從車間另一頭下線，車間長度達幾百米。
該公司董事長宋德武介紹，碳纖維是公司近年來迅速發展和壯大的新型產品系列。目前公司的原絲產能為16萬噸/年，碳纖維產能達4.9萬噸/年，正在向通用復材領域發展。吉林化纖的原絲、碳絲產量居行業前列，碳纖維板塊產值自2020年以來已連續3年實現翻番。
在產學研合作方面，吉林化纖與長春工業大學聯合建設了吉林省碳纖維產業創新中心。
“接下來，公司將繼續推進碳纖維戰略性新興產業融合集群發展。在碳纖維板塊，公司將堅持產業鏈一體化立體建設，按照原絲、碳化、復材產業鏈一體化的思路，堅持兩束三全雙路線的發展定位，25K、35K、50K產品在生產技術上均日臻成熟，小絲束在特殊領域基本上是定制化。”宋德武說。
“未來，吉林省將牢牢抓住自主創新這個牛鼻子，不斷豐富拓展應用場景，加快打造較為完善的產業鏈和產業集群，材料產業、碳纖維產業應用融合等基地，推動碳纖維產業成鏈、成群、成勢;培育世界一流專精特新示范企業，提高碳纖維產業的吉林影響力。”蔡國偉說。
全球碳纖維技術創新有哪些新方向，有哪些具有潛力的應用領域值得關注？
德國亞琛大學紡織技術研究院助理研究員德尼茲·耶西爾尤特介紹，碳纖維復材的回收利用目前大多是進行降級回收，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，已經能從中回收高質量的連續纖維。這運用了基于熱解或溶劑分解的工藝，后者還可以對基質進行回收利用。然而，缺乏表面活性的再生碳纖維對基質的黏附力較低，且未上漿的纖維可能會在退解中受損。為了解決這些問題，亞琛大學開發了一種新方法，通過優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。德國亞琛大學紡織技術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處理介質，可以將碳纖維的穩定化時間縮短20%、能源成本降低20%、纖維損耗減少5%，縮短將聚丙烯腈熱轉化為碳纖維的工藝時間，提高轉化效率，從而降低碳纖維生產過程中的能耗和成本。在應用方面，隨著性價比的持續優化，碳纖維在汽車輕量化領域的應用空間正在逐漸打開。中國一汽研發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。“碳纖維復材以其輕質高強、設計集成度高和抗疲勞性能優異等優點，成為汽車深度輕量化的理想材料。碳纖維復材在汽車上的應用，逐漸由以前的賽車、超級跑車向中高端乘用車延伸，應用部件由覆蓋件、裝飾件向結構件和次結構件拓展，應用方式也由原來的小批量生產工藝轉向大批量自動化生產工藝。”葉福恒說。比如，以前，蘭博基尼座艙、前唇和尾翼，邁凱倫座艙、發動機罩應用了碳纖維復合材料;現在，寶馬i3、寶馬7、奧迪A8在整體式車身、車身結構件、車身次結構件等方面都實現了碳纖維復合材料的自動化量產工藝。其中，奧迪A8的碳纖維后背板采用福伊特的自動鋪帶系統生產，配合全自動化的成型和裝配技術，單天的產能達到300件。一汽在這方面也正在展開探索。葉福恒介紹，基于一款傳統的燃油車型，一汽將其承載式結構車身設計成碳纖維成員艙和鋁車架組成的非承載式車身。一汽將碳纖維復材用于包裹架，通過集成化設計，將一款車的包裹架和包裹架隔板集成為一體，實現降重約40%。針對一款紅旗車型，一汽還對發動機罩、行李箱蓋進行了碳纖化(碳?；旌?技術開發，從而使發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。相關統計數據顯示，2022年，在國際市場和我國市場，碳纖維在汽車領域的用量分別為9500噸、2400噸。“多材料混合用材將助推碳纖維在汽車上的應用。隨著預期成本不斷降低，產業鏈不斷完善，碳纖維在汽車上的用材占比和用量有望呈現上升趨勢。”葉福恒說。北京科泰克科技有限責任公司技術總監趙亮介紹，目前應用最廣泛、最便捷的車載儲氫技術是高壓氣態儲氫。綜合考慮壓縮能耗、續航里程、基礎設施建設投資等因素，世界各國均將70MPa高壓氣態儲氫列為發展目標和研究重點。纖維的選擇是決定氣瓶性能的關鍵。碳纖維全纏繞結構具有重容比小、單位質量儲氫密度高等優點，并且，采用纏繞線形的細化設計，可以提升氣瓶的綜合性能。相關統計數據顯示，2022年，國際市場上壓力容器領域的碳纖維用量是1.48萬噸，我國壓力容器領域的碳纖維用量是6000噸。從增長率方面看，全球市場上碳纖維用量最大的領域目前是風電葉片，但是，2021年到2022年，壓力容器領域的碳纖維應用增長率為34.5%，遠高于風電葉片領域5.15%的應用增長率。“結構和功能一體化是碳纖維的發展方向，高質量、低成本和廣應用是碳纖維行業發展的新動能。航空航天和國防工業用碳纖維始終是碳纖維行業的發展重點，其消費年增長率將達到10.3%。”中國科學院院士、東華大學材料科學與工程學院院長朱美芳這樣表示。
來源：中國紡織報，作者：同黎娜
