碳纖維如何“超車”

陳光義

碳纖維是含碳量大于95%的纖維材料，同金屬、樹脂、玻璃、陶瓷等基礎材料復合后，具有強度高、重量輕、耐腐蝕性強等優良特性，被日本、美國等國家廣泛應用于航空航天、國防軍工、交通運輸等戰略行業，成為新一代軍民兩用、影響未來科技發展水平的戰略新型材料。

2018年4月17日，江蘇連云港市開發區，工人正在碳纖維生產線上查看運行情況。

我國碳纖維經過多年努力，以自主研發為抓手，打破了國外的技術裝備封鎖，產業化生產初見成效。但整體來看，我國碳纖維發展依然處在核心技術創新不足、應用開發滯后、生產成本偏高、市場競爭力不強的階段。下一步需要加大自主研發，推動產學研用一體化發展，降低生產成本，充分發揮行業協會的引領作用，提升戰略新型材料的生產能力。

加速趕超日美

日本自20 世紀50 年代掌握碳纖維制備方法后，目前是全世界最大的碳纖維生產國，產品質量與數量均處于世界領先地位。日本東麗工業株式會社是世界上高性能碳纖維研究和生產的“領頭羊”，高端產品占有率穩居世界第一，其生產的T1000 碳纖維拉伸強度等性能指標均處于世界領先水平，是目前全球最領先的碳纖維產品。

與日本相比，美國碳纖維研發及應用近年來后勁十足。美國赫氏公司擁有40 多年為航空開發應用碳纖維的經驗，能夠自主生產供應碳纖維，是美國廠家中高性能碳纖維技術的領導者。

2010 年，美國撥款3470 萬美元，建立橡樹嶺國家實驗室碳纖維技術中心。目前，美國碳纖維主要應用于軍用、民用航空航天領域，2015 年美國碳纖維產量超過2 萬噸。

從全球碳纖維市場的份額劃分看，國際碳纖維市場依舊為日、美企業所壟斷。在小絲束碳纖維市場上，日本企業在全球的市場份額為60%;在大絲束碳纖維市場上，日美企業合計擁有全球75%的生產能力，處于明顯的主導地位。

高端碳纖維市場也基本被日美兩國壟斷，絕大部分高性能碳纖維是小絲束的聚丙烯腈基碳纖維。目前，全球最主要的小絲束碳纖維供應商的市場占比情況是：日本東麗占30%、東邦占20%、三菱麗陽占14%;美國赫氏占12%、氰特占8%;中國臺灣地區臺塑集團約占5%。

同日美等國相比，我國碳纖維產量近年來快速提高，2015年碳纖維產能已到達1.7 萬噸，產量為4000 噸。國內現有高強型碳纖維工程化研究和生產單位40 余家，主要包括威海拓展、中簡科技、中復神鷹、江蘇恒神、中安信、康得碳谷等。

目前，我國企業已經可以穩定生產T300 號碳纖維，T700 與T800 等高規格產品也都突破了技術瓶頸。

例如康得集團已建立起全球碳纖維輕量化生態平臺、航空復合材料制造平臺和研發平臺，集團下屬的中安信科技有限公司就于去年成功生產出合格的T800、T1000等產品，并且均實現穩定量產，產品性能穩定、合格率達到95%以上。

成本與性能困境

雖然中國是碳纖維消費大國，但近90%的國產碳纖維產品仍屬于中低規格的通用型級別，且普遍存在成本高、能耗大、質量不穩定、開工率不足等問題，難以滿足現代國防和高端工業領域的需求。

首先，工程化穩定生產不足。日本東麗作為目前全球碳纖維行業的領軍企業，能夠穩定、批量生產近20 種牌號的高性能小絲束碳纖維產品和3 大類低成本大絲束碳纖維產品，可以滿足不同領域、不同行業對不同規格碳纖維的使用要求。

與日本東麗相比，國內企業普遍存在工藝穩定性不足、設備自動化程度不高、產品質量和穩定性差、缺少質量控制及追溯體系等問題，高性能碳纖維的大批量生產和規模工程化應用明顯不夠，實際開工率較低。尤其是高端產品及應用上，無論性能還是成本都難以與東麗抗衡。

其次，國內的研究開發與應用尚顯不足。國外在與碳纖維配套的專用油劑、上漿劑、通用和專用樹脂等方面開展了大量理論和應用研究，目前已形成較為成熟的體系。而國內的研究與應用起步較晚，尚處于跟蹤模仿階段，總體上欠缺系統性、基礎性的研究工作和不同領域的批量應用驗證。

最后是核心設備國產化待破題。碳纖維工程化穩定生產涉及到化工、紡織、材料、機械等多個學科領域，整個生產線由聚合釜、脫單塔、高精度過濾器等數千臺/套工業化裝備組成，包含溫度、壓力、黏度、流量等數千個工藝參數控制點，生產流程長，工藝非常復雜，技術難度很大，是一項集多學科、精細化、高尖端于一體的系統工程，具有很強的技術壁壘。

目前，國內高性能碳纖維工程化生產所需的核心裝備和關鍵部件，其制造技術大多數由日、美等國的企業所把控，部分設備（例如碳化爐、石墨化爐、驅動牽伸裝置等）還受到外國政府嚴格的許可證管控制度，這對我國碳纖維行業的發展造成了很大威脅。

亟需產學研用協調推進

出于安全及戰略考量，發達國家嚴格限制高端碳纖維核心制造技術的輸出，我國不可能從這些國家進口到高質量原絲與碳纖維產品，更難獲得成套核心技術，因此發展碳纖維必須要堅持自主研發，提升國產化的生產能力。

第一，通過各種有效手段，不斷推進碳纖維及部件生產成本的下降。通過設計的不斷優化、工藝的不斷提高、生產節奏的不斷加快以及材料回收再利用這些途徑，都可以實現降低成本的目的，從而引領整個產業不斷向縱深發展。

第二，堅持自主研發，建立自主品牌體系。在堅持自主研發、走國產化道路的基礎上，在合理技術支撐、產品質量可控的基礎上，實施個性化碳纖維材料制造，逐步建立具有中國特色的產品體系，滿足不同市場需求。

第三，推動“產學研用”緊密結合。集中優勢科研資源，匯集國內頂尖的機構及企業力量，通過有效的人才吸引機制，將眾多國內外碳纖維及碳纖維復材領域的專家聚集在產業平臺之上，為產業發展提供源源不竭的動力。打通生產、研究、應用各環節，以“產學研用”共同發展的方式，實現聯合攻關，提高我國碳纖維產業的研發能力。

第四，國內高端裝備制造應用領域借鑒美國做法，規定碳纖維材料50%以上實現國產化，逐步實現國產化替代。這些領域包括：大飛機、航空航天、核領域等。

第五，注重發揮行業協會的引領作用。可參照日本碳纖維制造商協會的運營經驗，盡快成立碳纖維行業協會，促進碳纖維制造企業合作、規范國內競爭、推動技術標準化、促進碳纖維應用、以信息技術改進行業流程、整合行業力量，在關鍵技術及配套準備研發、行業企業交流、開展國際合作等方面發揮作用。