靳高嶺

(中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100027)

0 引言

碳纖維是一種碳含量在90%以上的纖維材料，有著“輕質(zhì)高強(qiáng)”的性能，比重只有鋼材的五分之一左右，但強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的5～7倍，且具備耐高溫、耐腐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特性，是發(fā)展航空航天、新能源、高端裝備制造等高科技產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料，也是制造火箭、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)、海軍艦艇及多種尖端軍事武器中必備關(guān)鍵材料，在國(guó)防軍工領(lǐng)域有著不可替代的戰(zhàn)略地位[1-3]。

碳纖維作為軍民兩用關(guān)鍵新材料，多年來，由于發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)行技術(shù)和產(chǎn)品的雙重封鎖，我國(guó)一直處于受制于人的狀態(tài)[4]。我國(guó)于20世紀(jì)70年代開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但因?yàn)楫?dāng)時(shí)制造工藝不成熟、用量少導(dǎo)致成本昂貴。當(dāng)時(shí)主要應(yīng)用在軍工[6]等領(lǐng)域。近20年，碳纖維開始在全球制造業(yè)各行業(yè)運(yùn)用，未來的趨勢(shì)是大規(guī)模代替金屬材料。

1 碳纖維行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2005年以來，經(jīng)過政府有關(guān)部門和企業(yè)通力合作，高性能碳纖維國(guó)產(chǎn)化取得了突破性進(jìn)展，在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、核心技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量、應(yīng)用拓展和經(jīng)濟(jì)效益等方面取得了令人矚目的成就。

在2020年受新冠疫情持續(xù)影響及經(jīng)濟(jì)下行沖擊，高性能纖維行業(yè)積極應(yīng)對(duì)，抓住國(guó)外相關(guān)企業(yè)因疫情影響無法正常生產(chǎn)以及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求增長(zhǎng)帶來的機(jī)遇，加強(qiáng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量提升，在技術(shù)水平、應(yīng)用規(guī)模、項(xiàng)目建設(shè)等方面均取得了重大進(jìn)展。

1.1 技術(shù)水平持續(xù)提升，縮短國(guó)內(nèi)外水平差距

我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室研發(fā)進(jìn)入到快速發(fā)展階段。目前已形成了相對(duì)穩(wěn)定的碳纖維國(guó)產(chǎn)化技術(shù)體系，聚丙烯腈基碳纖維原絲生產(chǎn)工藝體系實(shí)現(xiàn)多元化，碳纖維核心技術(shù)不斷突破，產(chǎn)業(yè)化裝備自主能力持續(xù)加強(qiáng)[1]。

蘭州藍(lán)星纖維有限公司千噸級(jí)NaSCN法50 K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及裝備研究” 通過技術(shù)成果鑒定，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)50 K碳纖維產(chǎn)品的市場(chǎng)空白[7]；中科院寧波材料所成功研制出QM65(M65J級(jí))高強(qiáng)高模碳纖維，纖維拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別高達(dá)3 857 MPa、639 GPa。江蘇恒神股份有限公司通過國(guó)際權(quán)威認(rèn)證機(jī)構(gòu)DNV·GL頒發(fā)的24 K碳纖維、碳纖維織物和碳纖維拉擠板認(rèn)證；威海光威復(fù)合材料股份有限公司自主研制的碳纖維復(fù)合材料，已應(yīng)用于AR-500C無人機(jī)。這些成果使得我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，用約15年的時(shí)間縮短了與發(fā)達(dá)國(guó)家30多年的差距。

1.2 產(chǎn)品規(guī)模居世界前列，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口趨勢(shì)明顯

目前，中國(guó)大陸碳纖維正在運(yùn)行的產(chǎn)能約為26 500噸，2019年中國(guó)大陸碳纖維產(chǎn)量約為12 000噸，產(chǎn)品可覆蓋高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模、高強(qiáng)高模型碳纖維(主要品種相當(dāng)于T300級(jí)、T700級(jí)、T800級(jí)、T1000級(jí)、M40級(jí)、M40J級(jí)、M55J級(jí)等)，碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量居世界第二位[8]。

表1 2005～2019年我國(guó)碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量情況表 單位：噸

在軍民應(yīng)用同步牽引下，國(guó)內(nèi)碳纖維應(yīng)用快速增長(zhǎng)，2019年國(guó)內(nèi)應(yīng)用總量達(dá)到37 840.6噸，特別是風(fēng)電葉片用量達(dá)到13 800噸，不僅成為拉動(dòng)我國(guó)碳纖維應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)滿足了國(guó)際風(fēng)電葉片的使用需求。體育休閑領(lǐng)域用量約14 000噸，建筑補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域用量約2 000噸，壓力容器用量約1 500噸，民用領(lǐng)域用量逐年增加。

此外，國(guó)產(chǎn)碳纖維在航天航空、國(guó)防軍工等高端領(lǐng)域用量實(shí)現(xiàn)逐步增長(zhǎng)。其中國(guó)內(nèi)航天航空領(lǐng)域(含軍工)用量約為1 100噸，使用國(guó)產(chǎn)碳纖維約300噸，占比提高至27.2%。

2020年碳纖維及制品進(jìn)口量為30 351.6噸，加工貿(mào)易和一般貿(mào)易分別占58.9%和39.3%，加工貿(mào)易中進(jìn)料加工占99.8%。日本是最大的進(jìn)口來源國(guó)，進(jìn)口量為7 531.6噸，同比下降2.1%，占進(jìn)口總量的24.8%。自中國(guó)臺(tái)灣進(jìn)口量為7 299.0噸，同比增長(zhǎng)28.8%，占進(jìn)口總量的24.1%，國(guó)產(chǎn)碳纖維已經(jīng)逐漸得到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)廣泛認(rèn)可。從表2中數(shù)據(jù)來看，2009～2019年，我國(guó)碳纖維(含制品)應(yīng)用總量由7 888.5噸增加到37 840.6噸，其中國(guó)產(chǎn)碳纖維用量占比由2009年的12.7%增長(zhǎng)至31.7%。碳纖維技術(shù)水平最高的日本、美國(guó)等國(guó)家進(jìn)口量占比逐年下降，說明國(guó)產(chǎn)碳纖維替代進(jìn)口已成為必然趨勢(shì)。

圖1 2016～2020年碳纖維及制品分國(guó)別和地區(qū)進(jìn)口量變化圖(單位：噸)

表2 2009～2019年我國(guó)碳纖維應(yīng)用總量情況表 單位：噸

1.3 經(jīng)濟(jì)效益顯著，市場(chǎng)需求明顯

我國(guó)碳纖維及其制品的產(chǎn)品性能基本滿足高端應(yīng)用需求[9]。國(guó)產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打破了日本、美國(guó)長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷，為我國(guó)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力提升注入新動(dòng)力。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)碳纖維需求快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)認(rèn)可度也在持續(xù)提高，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)碳纖維年產(chǎn)量超過萬噸，打破一直以來“有產(chǎn)能沒產(chǎn)量”的被動(dòng)局面。

中復(fù)神鷹、威海拓展、江蘇恒神、浙江精功等民營(yíng)企業(yè)憑借靈活的體制機(jī)制、豐富的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)經(jīng)驗(yàn)、深厚的技術(shù)實(shí)力，率先實(shí)現(xiàn)了千噸級(jí)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化穩(wěn)定生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用，打破了國(guó)外技術(shù)封鎖壟斷。風(fēng)電葉片成為拉動(dòng)國(guó)內(nèi)碳纖維應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力，航天航空、壓力容器、新能源等領(lǐng)域用量也有一定增長(zhǎng)。隨著下游應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，高質(zhì)量的碳纖維已呈現(xiàn)供不應(yīng)求態(tài)勢(shì)。

上海石化在上海新建碳纖維項(xiàng)目已開工，總投資35億元，建設(shè)內(nèi)容包括2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年48 K大絲束碳纖維，計(jì)劃2024年全部建設(shè)完成。吉林碳谷啟動(dòng)二期年產(chǎn)5萬噸碳纖維原絲項(xiàng)目，總投資10億元，擬建成5條大絲束碳纖維原絲生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2021年底全面投入運(yùn)行。吉林化纖啟動(dòng)了年產(chǎn)1.5萬噸碳纖維項(xiàng)目，計(jì)劃總投資24.4億元。蘭州藍(lán)星、江蘇恒神等重點(diǎn)企業(yè)也計(jì)劃新建碳纖維項(xiàng)目。

鑒于國(guó)內(nèi)疫情防控取得明顯成效，經(jīng)濟(jì)活力快速恢復(fù)，國(guó)內(nèi)對(duì)高性能纖維的需求將逐步增加，生產(chǎn)將持續(xù)改善，我國(guó)碳纖維行業(yè)逆勢(shì)而上，產(chǎn)銷兩旺，業(yè)績(jī)保持持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)到2025年，國(guó)內(nèi)碳纖維的需求量將達(dá)到11萬噸左右。

1.4 多方助力實(shí)現(xiàn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展

自2005年起，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)走過了噸級(jí)小試線、百噸中試線、千噸產(chǎn)業(yè)化線多個(gè)階段，正在步入規(guī)?；a(chǎn)及應(yīng)用的新發(fā)展階段，取得了矚目成績(jī)。

一方面，國(guó)家專項(xiàng)資金支持碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用，已累計(jì)支持碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目百余項(xiàng)，支持范圍覆蓋了碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及制品應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈。這奠定了我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)從無到有、從弱到產(chǎn)業(yè)壯大的發(fā)展基礎(chǔ)，保障了國(guó)產(chǎn)碳纖維在國(guó)防軍工、民用領(lǐng)域的自主供應(yīng)，為我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大，提高關(guān)鍵材料自主保障能力給予了重要支撐[10]。

另外，行業(yè)組織通過舉行專業(yè)活動(dòng)搭建服務(wù)平臺(tái)。作為連接政府與企業(yè)的橋梁紐帶，一是協(xié)助提供信息，行業(yè)協(xié)會(huì)依據(jù)其了解的行業(yè)發(fā)展最新現(xiàn)狀、短板領(lǐng)域、重點(diǎn)企業(yè)以及發(fā)展趨勢(shì)等專業(yè)化信息，為政府部門確定政策支持方向、專項(xiàng)支持領(lǐng)域提供支撐；二是專門成立碳纖維行業(yè)分會(huì)，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)政策、專項(xiàng)實(shí)施解讀，定期召開專業(yè)論壇，搭建我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)產(chǎn)、學(xué)、研、用的交流合作平臺(tái)，進(jìn)一步凝聚行業(yè)發(fā)展共識(shí)，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)碳纖維關(guān)鍵技術(shù)突破、上下游合作、應(yīng)用領(lǐng)域拓展，促進(jìn)科技成果轉(zhuǎn)化，提升我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2 國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展

我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)雖然取得明顯進(jìn)步，但與日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定差距。作為高性能纖維，碳纖維的發(fā)展要切實(shí)提升關(guān)鍵核心技術(shù)的創(chuàng)新能力，提高技術(shù)成熟度，提升纖維質(zhì)量一致性、批次穩(wěn)定性、應(yīng)用工藝性，進(jìn)一步擴(kuò)大在航天航空、風(fēng)力發(fā)電、軌道交通、安全防護(hù)、海洋工程、高速交通、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用。

此外，產(chǎn)能利用率也需進(jìn)一步提升。目前我國(guó)碳纖維理論產(chǎn)能已超過30 000噸，運(yùn)行產(chǎn)能約26 500噸，實(shí)際產(chǎn)量約12 000噸，產(chǎn)能利用率仍不到50%。在關(guān)鍵輔料和裝備設(shè)施上，用高品質(zhì)上漿劑、油劑等配套材料品種較少，碳纖維復(fù)合材料用樹脂性能有待進(jìn)一步提高，尚不能完全自主供給，一些關(guān)鍵品種仍依賴進(jìn)口，制約了碳纖維復(fù)合材料的性能提高，也存在產(chǎn)業(yè)鏈供給風(fēng)險(xiǎn)。符合國(guó)產(chǎn)碳纖維特點(diǎn)和使用要求的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未形成，使用規(guī)范、應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)等尚未建立，制造與應(yīng)用環(huán)節(jié)銜接不緊密，碳纖維及其復(fù)合材料設(shè)計(jì)—評(píng)價(jià)—驗(yàn)證能力不足。

因此，要保證碳纖維產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展還需持續(xù)提升產(chǎn)能利用率，加快淘汰落后產(chǎn)能；拓展碳纖維標(biāo)準(zhǔn)化工作的深度、廣度及專業(yè)化水平，培養(yǎng)有經(jīng)驗(yàn)的碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)人員。在設(shè)計(jì)方案、材料選用、制備工藝、實(shí)際應(yīng)用等方面，要與下游市場(chǎng)緊密連接，提高我國(guó)碳纖維在高端領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用，在生產(chǎn)和應(yīng)用等方面取得更多的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，持續(xù)提高我國(guó)碳纖維龍頭企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。