徐愛武

（連云港市纖維檢驗(yàn)中心，江蘇 連云港 222047）

1 碳纖維簡(jiǎn)介

碳纖維是由有機(jī)纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈結(jié)構(gòu)，含碳量超過(guò)90%的無(wú)機(jī)纖維[1]。碳纖維質(zhì)量較輕，外柔內(nèi)剛，具有密度低、強(qiáng)度高、模量高、抗疲勞、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕、導(dǎo)熱、導(dǎo)電、良好的電磁屏蔽以及較低的熱膨脹系數(shù)等諸多的優(yōu)良性能，同時(shí)其外形有顯著各向異性、柔軟及可加工成各種織物，是一種新型高性能纖維材料，能夠以復(fù)合材料的形式極大減輕構(gòu)件重量，提高其多項(xiàng)技術(shù)性能，尤其受到軍工兵器、軍用飛機(jī)等軍工行業(yè)的極大青睞，同時(shí)在追求提高燃效、延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程為目標(biāo)的汽車領(lǐng)域，碳纖維需求也在全球呈擴(kuò)大之勢(shì)，在燃料電池車的氫燃料罐及加氫站的貯氫罐方面，碳纖維也將得到廣泛應(yīng)用，在其他如航空航天、風(fēng)力發(fā)電、工程機(jī)械、交通設(shè)施、建筑補(bǔ)強(qiáng)等諸多領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用，尤其是航空航天飛機(jī)需要面對(duì)各種復(fù)雜惡劣的天氣環(huán)境，因此他們對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料的各項(xiàng)性能要求比汽車和其他一般行業(yè)更高，也更加迫切。因?yàn)槠淞己眯阅芗皬V泛用途，碳纖維被稱為21世紀(jì)的“黑色黃金”。世界上目前用于制備碳纖維的前驅(qū)體很多，如黏膠纖維、瀝青、聚丙烯腈（PAN）、聚酰亞胺、聚苯并噻唑等，但目前為止，能達(dá)到工業(yè)規(guī)模的僅有PAN基碳纖維、黏膠基碳纖維和瀝青基碳纖維三種,尤其是PAN基碳纖維占據(jù)主要地位。

2 世界碳纖維產(chǎn)業(yè)格局

世界碳纖維的生產(chǎn)主要集中在日本、美國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，目前世界上PAN基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)主要有八家，其中日本三家：東麗工業(yè)株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“東麗”）、日本三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“三菱麗陽(yáng)”）和日本東邦化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“東邦”），日本是全球最大的碳纖維生產(chǎn)國(guó)，其三大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)合計(jì)擁有全球PAN基碳纖維50%以上的市場(chǎng)份額；美國(guó)兩家：赫氏有限公司、美國(guó)氰特工業(yè)公司，美國(guó)也是世界上少數(shù)掌握碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的國(guó)家之一，同時(shí)又是世界上最大PAN基碳纖維消費(fèi)國(guó)，其消費(fèi)量約占世界消費(fèi)總量的三分之一；其他有土耳其一家：阿克薩集團(tuán)，德國(guó)一家：德國(guó)西格里碳素集團(tuán)以及中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)灣塑料工業(yè)股份有限公司，瀝青基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)主要有美國(guó)氰特、三菱麗陽(yáng)和東麗三家企業(yè)[2]。

目前，日本和美國(guó)不僅占據(jù)了世界主要的碳纖維產(chǎn)能，而且還不斷加大研發(fā)投入持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能，兼并收購(gòu)其他生產(chǎn)企業(yè)，不斷鞏固其領(lǐng)先地位。由于碳纖維生產(chǎn)過(guò)程對(duì)技術(shù)要求較高，其利潤(rùn)率也較高，日本和美國(guó)等碳纖維主要生產(chǎn)企業(yè)采取嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，日本目前可以生產(chǎn)T1400的碳纖維是其他國(guó)家生產(chǎn)不了的，其他國(guó)家完全掌握其生產(chǎn)的核心技術(shù)還需要一段時(shí)間，這一壟斷格局暫時(shí)還很難打破。目前，世界碳纖維技術(shù)尤其是新近開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)主要掌握在日本東麗、東邦、三菱麗陽(yáng)三大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，其他國(guó)家基本上處于追趕階段，距離日本的碳纖維技術(shù)尚有一定差距，日本三家公司生產(chǎn)的碳纖維無(wú)論質(zhì)量還是產(chǎn)量均處于世界領(lǐng)先地位，尤其是東麗實(shí)業(yè)更是世界上高性能碳纖維研究與生產(chǎn)領(lǐng)域的“領(lǐng)頭羊”。

由于碳纖維及其復(fù)合材料在國(guó)防和民生中的重要作用，許多國(guó)家開始重視對(duì)碳纖維及其合成材料研發(fā)及生產(chǎn)。韓國(guó)、印度等國(guó)家碳纖維已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，我國(guó)政府也將碳纖維列為國(guó)家重點(diǎn)支持的新興產(chǎn)業(yè)，我國(guó)碳纖維研究與日本同時(shí)起步，但由于受到各種條件的制約進(jìn)展緩慢，直至近幾年，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)進(jìn)入大爆發(fā)時(shí)期，目前已經(jīng)初具規(guī)模，已先后突破了T700、T800等高性能碳纖維的千噸級(jí)產(chǎn)業(yè)化，2019年，中復(fù)神鷹實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡T1000級(jí)超高強(qiáng)度碳纖維工程化，標(biāo)志著我國(guó)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)水平又上了一個(gè)臺(tái)階。經(jīng)過(guò)近幾年的追趕，國(guó)產(chǎn)T700S-12K小絲束碳纖維的復(fù)絲拉伸強(qiáng)度與模量達(dá)到同級(jí)別東麗碳纖維性能[3]，與世界碳纖維先進(jìn)技術(shù)水平的差距在逐漸縮小。

3 日本碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代末開始，日本開始碳纖維研究，60年代初，研發(fā)高性能PAN基碳纖維獲得成功。因?yàn)樾阅軆?yōu)異，成本昂貴，早期的碳纖維主要在軍工方面有少量需求，隨著對(duì)PAN基碳纖維需求的增加，日本各個(gè)公司均開始躋身于碳纖維研發(fā)和生產(chǎn)。為了能夠掌握PAN基高性能碳纖維行業(yè)話語(yǔ)權(quán)，控制技術(shù)及掌握碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)，1975年起，日本開始啟動(dòng)規(guī)模化生產(chǎn)PAN基碳纖維技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究與制定，1980年，日本頒布實(shí)施碳纖維性能檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，為PAN基高性能碳纖維批量生產(chǎn)和應(yīng)用搭建了技術(shù)平臺(tái)，極大的提升了日本碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

目前，日本是碳纖維技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家。日本一方面通過(guò)在高性能PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維等投入大量的資金和人力，持續(xù)提高碳纖維技術(shù)含量和生產(chǎn)水平，另一方面通過(guò)擴(kuò)大投資、建設(shè)新工廠或進(jìn)行業(yè)務(wù)收購(gòu)，進(jìn)一步鞏固其在該領(lǐng)域遙遙領(lǐng)先的地位。

日本東麗、三菱麗陽(yáng)和東邦三大公司的碳纖維產(chǎn)量占全球市場(chǎng)份額超過(guò)一半，是世界上技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)量靠前、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定的企業(yè)，比較具有代表性，本文將以這三家公司為代表進(jìn)行介紹，希望通過(guò)了解這三家企業(yè)的成長(zhǎng)路徑，以發(fā)現(xiàn)并學(xué)習(xí)到一些有益的經(jīng)驗(yàn)。

3.1 東麗

東麗是世界最大的碳纖維制造企業(yè)，其生產(chǎn)的碳纖維綜合競(jìng)爭(zhēng)力全球排名第一，其碳纖維產(chǎn)量和碳纖維生產(chǎn)技術(shù)均位于世界前列，其產(chǎn)品質(zhì)量也是碳纖維行業(yè)標(biāo)桿，經(jīng)常被用來(lái)同其他碳纖維產(chǎn)品相比，許多生產(chǎn)廠家也常常以碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量能夠趕上或者超過(guò)東麗的同級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量而自豪，其碳纖維產(chǎn)品占全球市場(chǎng)份額的40%左右，而且還占據(jù)著世界碳纖維行業(yè)頂端產(chǎn)品，是世界上碳纖維行業(yè)的領(lǐng)先者。

1970年，東麗依靠自己先進(jìn)的PAN原絲生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)與美國(guó)聯(lián)合碳化物公司交換技術(shù)，研究開發(fā)出高性能PAN基碳纖維，隨后開始量產(chǎn)PAN基碳纖維，并不斷提升技術(shù)，提高產(chǎn)量，增強(qiáng)產(chǎn)品性能，開發(fā)新產(chǎn)品[4]。到1982年，東麗碳纖維的生產(chǎn)工藝技術(shù)已經(jīng)取得重大突破，能夠生產(chǎn)出高強(qiáng)、超高強(qiáng)、高模、超高模、高強(qiáng)中模以及高強(qiáng)高模等類型的碳纖維產(chǎn)品。1987年，東麗已經(jīng)開始試生產(chǎn)銷售T1000高性能PAN基碳纖維，碳纖維的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)入一個(gè)新的高水平階段。

進(jìn)入21世紀(jì)，碳纖維行業(yè)又迎來(lái)了發(fā)展的黃金時(shí)期，隨著下游碳纖維應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，東麗一方面不斷擴(kuò)大產(chǎn)能，另一方面也不斷開發(fā)新技術(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。2016年，東麗聯(lián)合日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）等多家科研機(jī)構(gòu)成功研發(fā)出新的碳纖維生產(chǎn)工藝，該工藝將極大提高碳纖維生產(chǎn)速度，達(dá)到原生產(chǎn)速度的10倍。新工藝流程減少了生產(chǎn)工序，縮短了時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，采用低價(jià)位PAN作為原料，降低碳纖維生產(chǎn)成本，還大量減少了能源消耗，更加符合日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，與原有工藝相比，新工藝生產(chǎn)的碳纖維在伸長(zhǎng)率及彈性模量等個(gè)別指標(biāo)方面性能有所下降，但是完全能夠滿足下游對(duì)碳纖維性能方面的要求，最關(guān)鍵的是產(chǎn)量能夠大幅增加，可以滿足下游市場(chǎng)日益增加的需求。

近兩年，東麗碳纖維生產(chǎn)技術(shù)上持續(xù)取得重大突破，在保持碳纖維彈性模量的同時(shí)提高強(qiáng)度，這是碳纖維性能中往往難以兼顧的。東麗開發(fā)出新型碳纖維，其在保持了同現(xiàn)有產(chǎn)品同等彈性模量的基礎(chǔ)上提高了碳纖維的強(qiáng)度，在復(fù)合材料中即使減少碳纖維使用量，后道成型產(chǎn)品的性能也能維持原來(lái)水平，還可以減輕成品質(zhì)量。目前，東麗已經(jīng)開始量產(chǎn)這一新產(chǎn)品，該產(chǎn)品可以用于衛(wèi)星、火箭及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。

為了不斷擴(kuò)大市場(chǎng)，東麗在不斷發(fā)展的同時(shí)，也通過(guò)不斷兼并收購(gòu)來(lái)壯大自己。東麗一方面在本土和海外不斷擴(kuò)建新的生產(chǎn)線，同時(shí)還不斷進(jìn)行收購(gòu)，2013年，東麗收購(gòu)美國(guó)卓爾泰克公司，后者是世界上大絲束碳纖維的主要生產(chǎn)商，具有較大的成本優(yōu)勢(shì)，通過(guò)此次收購(gòu)，東麗成為了全球唯一的一家超級(jí)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，將其他碳纖維生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手遠(yuǎn)遠(yuǎn)的甩在了后面，此次收購(gòu)進(jìn)一步鞏固了東麗在世界碳纖維行業(yè)的領(lǐng)先地位[5]。隨后幾年，東麗又先后收購(gòu)了意大利Saati公司在歐洲的碳纖維織物和預(yù)浸料業(yè)務(wù)，荷蘭曇卡先進(jìn)復(fù)合材料有限公司等公司的碳纖維生產(chǎn)業(yè)務(wù)，逐步建立起自己的碳纖維產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈，擴(kuò)大自己在碳纖維行業(yè)的市場(chǎng)份額，鞏固自己碳纖維行業(yè)的霸主地位。

3.2 三菱麗陽(yáng)

三菱麗陽(yáng)屬于日本三菱化學(xué)集團(tuán)，是日本三大碳纖維生產(chǎn)企業(yè)之一，也是世界上碳纖維主要生產(chǎn)企業(yè)之一，是世界上同時(shí)具備PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維生產(chǎn)能力的為數(shù)不多的企業(yè)之一，在日本、美國(guó)和德國(guó)等國(guó)家均有碳纖維生產(chǎn)基地。

1983年，三菱麗陽(yáng)開始工業(yè)化生產(chǎn)碳纖維。由于丙烯腈纖維是三菱麗陽(yáng)的主要產(chǎn)品之一，PAN基碳纖維以丙烯腈纖維為原料，因此，三菱麗陽(yáng)可以從丙烯腈的合成、聚合、原絲、碳纖維到成品一條龍進(jìn)行生產(chǎn)[6]。同時(shí)，三菱麗陽(yáng)具有雄厚的研發(fā)能力、豐富的纖維生產(chǎn)技術(shù)及先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，這些優(yōu)勢(shì)使三菱麗陽(yáng)不斷提升從原料到成品的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝，其碳纖維產(chǎn)品品質(zhì)持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。

三菱麗陽(yáng)一直致力于開發(fā)碳纖維新產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，不斷擴(kuò)大碳纖維的應(yīng)用鏈。經(jīng)過(guò)不斷的技術(shù)積累和科技研發(fā)，2011年，三菱麗陽(yáng)生產(chǎn)的大絲束碳纖維，其產(chǎn)品性能、均勻性等多項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到小絲束碳纖維的水平，與小絲束碳纖維相比，大絲束碳纖維具有更低的成本，此次改良后的大絲束碳纖維其成型性和加工效率比以前有很大提高，能夠充分發(fā)揮大絲束碳纖維的性能優(yōu)點(diǎn)。

為了擴(kuò)大市場(chǎng)份額，重點(diǎn)搶占汽車領(lǐng)域的碳纖維使用，提高燃效、延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。2014年開始，三菱麗陽(yáng)開始擴(kuò)大其位于美國(guó)分廠的碳纖維產(chǎn)量。2015年，三菱麗陽(yáng)與三菱樹脂將其相關(guān)的碳纖維及復(fù)合材料業(yè)務(wù)進(jìn)行合并重組，三菱樹脂的業(yè)務(wù)以瀝青類碳纖維為主，瀝青類碳纖維性能特點(diǎn)是拉伸彈性模量高，優(yōu)勢(shì)是價(jià)格低，三菱麗陽(yáng)的業(yè)務(wù)以PAN類碳纖維為主，PAN類碳纖維主要特點(diǎn)是拉伸強(qiáng)度高，兩家公司業(yè)務(wù)的整合，使三菱麗陽(yáng)成為少數(shù)幾家同時(shí)具有瀝青類碳纖維及PAN基類碳纖維生產(chǎn)能力的企業(yè)之一。三菱麗陽(yáng)希望通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，研究出能夠兼容這兩類碳纖維優(yōu)點(diǎn)的新型產(chǎn)品，大幅度提高剛性并實(shí)現(xiàn)輕量化。隨后幾年，三菱麗陽(yáng)先后收購(gòu)了美國(guó)的Gemini復(fù)合材料公司、德國(guó)SGL集團(tuán)位于美國(guó)的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)等公司的碳纖維業(yè)務(wù)，并逐步擴(kuò)大位于日本本土的碳纖維產(chǎn)能，用于滿足日益增長(zhǎng)的碳纖維需求。

3.3 東邦

日本東邦隸屬于帝人集團(tuán)，是日本三大碳纖維生產(chǎn)商之一，尤其是在小絲束PAN基碳纖維生產(chǎn)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是世界上著名的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，在日本、美國(guó)、德國(guó)等多個(gè)國(guó)家都建有其碳纖維生產(chǎn)基地。

1973年?yáng)|邦人造絲（現(xiàn)在的東邦）開始工業(yè)生產(chǎn)PAN基碳纖維，此后，不斷研發(fā)新技術(shù)，開發(fā)新產(chǎn)品[6]。到1982年，東邦已經(jīng)可以生產(chǎn)高強(qiáng)、高模、超高強(qiáng)、超高模、高強(qiáng)中模以及高強(qiáng)高模等各種性能的高性能碳纖維產(chǎn)品，其碳纖維生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝不斷改進(jìn)，在拉伸強(qiáng)度和模量等碳纖維的主要性能方面有了重大突破，這一重大突破促使東邦公司在碳纖維的應(yīng)用開發(fā)和生產(chǎn)進(jìn)入了高水平階段，奠定了東邦在世界碳纖維生產(chǎn)行業(yè)的領(lǐng)先地位。

在經(jīng)歷了碳纖維行業(yè)低谷之后，進(jìn)入21世紀(jì)，東邦碳纖維業(yè)績(jī)逐步恢復(fù)，出于對(duì)碳纖維未來(lái)行情的樂(lè)觀預(yù)測(cè)，自2003年開始?jí)嚎s其他業(yè)務(wù)，擴(kuò)大碳纖維生產(chǎn)，加大科技研發(fā)投入，提高碳纖維產(chǎn)量的同時(shí)，提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量的穩(wěn)定性，東邦一方面擴(kuò)大自己產(chǎn)能，同時(shí)也不斷加快海外并購(gòu)步伐，其碳纖維業(yè)務(wù)不斷擴(kuò)展。2015年，為了搶占碳纖維下游應(yīng)用市場(chǎng)業(yè)務(wù)，東邦對(duì)其碳纖維下游復(fù)合材料相關(guān)部門業(yè)務(wù)進(jìn)行了重新整合，將原本分散的碳纖維復(fù)合材料的各個(gè)部門重新進(jìn)行業(yè)務(wù)整合成一個(gè)整體，加強(qiáng)其碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料業(yè)務(wù)，希望能夠大舉進(jìn)軍汽車領(lǐng)域。

2018年，其子公司帝人碳纖維公司位于美國(guó)南卡羅來(lái)納州生產(chǎn)基地的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)開始投資建設(shè)，其目的是為了加強(qiáng)全球上下游碳纖維業(yè)務(wù)，并不斷努力擴(kuò)大其市場(chǎng)份額，同時(shí)加強(qiáng)新技術(shù)的研發(fā)，減少環(huán)境污染，以適應(yīng)各個(gè)國(guó)家日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)，這些都將進(jìn)一步鞏固?hào)|邦在碳纖維行業(yè)地位。

4 小結(jié)

日本碳纖維多年以來(lái)一直在技術(shù)、產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)上位居世界前列，在世界上遙遙領(lǐng)先，原因是多方面的，一是政府的重視與大力支持，從政策及人才經(jīng)費(fèi)上大力扶持碳纖維行業(yè)；二是日本幾個(gè)大型碳纖維生產(chǎn)企業(yè)之間形成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，共同開展技術(shù)攻關(guān)；三是企業(yè)自己重視研發(fā)投入，不斷研發(fā)出新產(chǎn)品，持續(xù)提高碳纖維性能；四是其研發(fā)的新技術(shù)很快申請(qǐng)專利，形成專利保護(hù)，對(duì)技術(shù)嚴(yán)格封鎖；五是重視上下游產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)合，不僅研發(fā)出高品質(zhì)的碳纖維，而且還同下游企業(yè)進(jìn)行技術(shù)合作攻關(guān)，不斷拓展碳纖維下游使用領(lǐng)域，擴(kuò)大其碳纖維占有的市場(chǎng)份額，提前鎖定下游客戶。

他山之石，可以攻玉，希望能夠借鑒日本碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)我國(guó)碳纖維研究的“產(chǎn)學(xué)研檢用”融合，形成上下游碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈整體合力，共同促進(jìn)碳纖維技術(shù)不斷創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展壯大，實(shí)現(xiàn)趕超。