戎光道

(中國石化上海石化股份有限公司，上海 200540)

碳纖維是具有高強高模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、耐濕、密度小、蠕變小、導(dǎo)電傳熱、熱膨脹系數(shù)低等一系列優(yōu)異性能的新型纖維，既可作為結(jié)構(gòu)材料承負載荷，也可作為功能材料發(fā)揮作用。因此，碳纖維不僅應(yīng)用于航空航天和國防科技方面，在文體用品、紡織機械、醫(yī)療器械、生物工程、建筑材料、化工機械、運輸車輛等方面也得到日益廣泛的應(yīng)用。此外，不使用潤滑油的軸承、齒輪、軸瓦、轉(zhuǎn)軸、提升輪等運動頻繁、負荷大的零件方面有很好的應(yīng)用前景［1，3］。碳纖維可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛樹脂基碳纖維、聚酰亞胺基碳纖維、其他有機纖維基碳纖維等。目前，主要以PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維為主［2］。

1 碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 世界碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀

PAN纖維被認為是制造碳纖維的最重要的原絲，PAN基碳纖維不論質(zhì)量還是產(chǎn)量都占世界主導(dǎo)地位。世界上PAN基碳纖維的生產(chǎn)，在20世紀60年代起步，發(fā)展迅速，現(xiàn)已分化為以美國為代表的大絲束碳纖維生產(chǎn)和以日本為代表的小絲束生產(chǎn)兩大類，大絲束的生產(chǎn)對前驅(qū)體要求較低，產(chǎn)品成本低，非常適合一般民用工業(yè)領(lǐng)域，因而產(chǎn)能利用率較高達90%。而小絲束的生產(chǎn)追求高性能化，代表世界碳纖維發(fā)展的先進水平，產(chǎn)品處于開發(fā)期，產(chǎn)能利用率較低，約70%。世界PAN基碳纖維生產(chǎn)廠商主要有日本東麗(Toray)、東邦(Tenax)、三菱人造絲(MitsubishiRayon)，美國赫氏(HexTow)、阿莫科(Amoco)和卓爾泰克(Zoltek)等公司［4］，世界主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)能力情況見表1。

表1 世界主要PAN基碳纖維企業(yè)生產(chǎn)能力Tab.1 Production capacity of PAN-based carbon fiber in the world kt/a

在小絲束碳纖維方面，Toray，Tenax，中國臺灣臺塑集團和Mitsubishi Rayon等4家公司的生產(chǎn)能力約占世界總生產(chǎn)能力的75%，其中臺塑是近年發(fā)展較快的企業(yè)，在2009年其生產(chǎn)能力僅為6.150 kt/a，在 2011 年生產(chǎn)能力達到 8.75 kt/a。大絲束方面卓爾泰克集團、德國SGL集團具有明顯優(yōu)勢，卓爾泰克集團還計劃將其生產(chǎn)能力翻一番，2012年SGL集團生產(chǎn)能力增長為7.5 kt/a。

1.2 我國碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國從20世紀60年代后期開始研制碳纖維及原絲，但發(fā)展較為緩慢。目前，我國已經(jīng)研制出接近日本東麗公司T-300水平的碳纖維產(chǎn)品，但產(chǎn)量和品質(zhì)都遠不能滿足國內(nèi)需求。目前，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)有20余家［5］，生產(chǎn)能力約8.5 kt/a，見表2。多數(shù)碳纖維企業(yè)存在生產(chǎn)規(guī)模小，技術(shù)設(shè)備落后，實際產(chǎn)量不足2 kt。而國內(nèi)市場對碳纖維的需求量每年都以15%的速度遞增，國內(nèi)產(chǎn)量根本無法滿足需求，90%以上依賴進口。國內(nèi)的碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)還處于相對較低的水平，沒有形成規(guī)模，碳纖維的需求與生產(chǎn)供應(yīng)之間脫節(jié)。為使我國的碳纖維產(chǎn)業(yè)具有市場競爭能力，必須提高PAN原絲質(zhì)量、提升技術(shù)含量，擴大生產(chǎn)規(guī)模［6］。

表2 我國碳纖維生產(chǎn)能力Tab.2 Production capacity of carbon fiber in China kt/a

2 消費狀況

2.1 世界碳纖維消費狀況

碳纖維是軍民兩用新材料，屬于技術(shù)密集型的關(guān)鍵材料［7－9］。碳纖維的消費主要在北美、歐洲和亞洲(日本)。2011年，歐洲碳纖維消費量占世界總量的33%，北美占33%，日本占18%，其他地區(qū)占16%。世界碳纖維在各領(lǐng)域的需求預(yù)測見表 3［10］。

表3 2011—2020年世界碳纖維需求預(yù)測Tab.3 Demand forecast for carbon fiber in the world over 2011－2020 kt

從表3可以看出，航空航天和國防是碳纖維最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。到2015年航空航天和國防用碳纖維比2011年增長約87%達到13.1 kt，而到2020年將達到19.7 kt，為2011年的281%，其中噴氣發(fā)動機增長最快。碳纖維復(fù)合材料在航空航天和國防領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)更多的應(yīng)用趨勢，在今后飛機設(shè)計使用中將成為主要的結(jié)構(gòu)材料如噴氣飛機發(fā)動機、渦輪發(fā)動機、渦輪等發(fā)熱結(jié)構(gòu)，將會有更廣泛的應(yīng)用前景。另外，世界民用飛機碳纖維用量在擴大，國外民用飛機碳纖維用量和軍用飛機碳纖維用量比接近9∶1，空間和發(fā)射的碳纖維用量與民用飛機碳纖維用量比約為1∶10。

工業(yè)用途是碳纖維最大的應(yīng)用領(lǐng)域，也是最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，風(fēng)能用碳纖維需求量最大，2011年占全部工業(yè)碳纖維用量的40%以上，預(yù)計在2015年占到工業(yè)用的55%。另外碳纖維在壓力容器、油氣開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用會不斷擴大，用量將會高速成倍增長，到2020年的需求量將會是2011年的7～8倍。

另外，碳纖維還用于體育休閑領(lǐng)域，主要用于高端體育用品，消費需求的增長較慢，也使碳纖維在該領(lǐng)域中增長較慢，但預(yù)計也將會有44%的增長。

2.2 我國碳纖維消費狀況

盡管多年來我國的碳纖維生產(chǎn)發(fā)展緩慢［11］，但消費量卻與日俱增，隨著市場需求的增加，特別是國防、軍工、航空航天、體育用品等方面需求的增長，我國每年從國外進口的碳纖維越來越多。目前我國碳纖維消費量約90%依賴進口，且下游消費領(lǐng)域以文體休閑產(chǎn)品和工業(yè)應(yīng)用為主。碳纖維在文體休閑制品領(lǐng)域主要用于制造漁具、游艇、高爾夫球桿、網(wǎng)球、羽毛球拍、滑雪板、箭桿、自行車等。2010年我國碳纖維及制品進口量為10.966 kt，體育休閑占進口量的64.5% ，工業(yè)領(lǐng)域占進口量的20.9%，而航空航天只占進口量的0.6%，其他占進口量的14%，增幅較大的是風(fēng)力發(fā)電葉片、氣瓶、船艇、機械配件等。目前，我國文體休閑制品的碳纖維消費市場已經(jīng)趨于飽和［12］，許多產(chǎn)品以進入國際市場為主，未來發(fā)展速度將有所減緩;相反工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用將增加較快，特別是在混凝土結(jié)構(gòu)物的補強、飛機制造、民用汽車和風(fēng)力發(fā)電等方面，未來市場的發(fā)展前景較好，預(yù)計到2015年我國碳纖維需求量約13.5 kt，其中文體休閑用品消費比例下降為33%，而工業(yè)應(yīng)用則上升為67%。

3 我國碳纖維的研發(fā)現(xiàn)狀

我國碳纖維及其復(fù)合材料生產(chǎn)仍處于起步階段，目前尚未完整掌握的碳纖維核心關(guān)鍵技術(shù)，與國外相比，我國碳纖維在質(zhì)量、技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模等方面均與國外存在很大差距。絕大部分高性能增強材料都長期依賴進口，價格非常昂貴，極大地制約了我國碳纖維復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展［1，12］。

2007年，中國石化基于國家的戰(zhàn)略需求和上海石化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求，確定上海石化作為中國石化碳纖維生產(chǎn)研發(fā)基地，大力開展碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研發(fā)。上海石化與多家科研院校開展合作，高起點構(gòu)建協(xié)同創(chuàng)新的碳纖維產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟。2010年上半年開始，上海石化還與多家國內(nèi)高校和科研單位合作研究開發(fā)高性能碳纖維(T-800)，現(xiàn)正按計劃有序推進，力爭在2013年底完成高性能碳纖維的開發(fā)任務(wù)。除利用中國石化系統(tǒng)內(nèi)的研發(fā)力量外，與復(fù)旦大學(xué)合作，進行聚合物鏈結(jié)構(gòu)和聚合機理研究;與北京化工大學(xué)合作進行氧化、炭化工藝的研究。此外，從產(chǎn)業(yè)鏈的中長期發(fā)展著眼，還開展碳纖維關(guān)鍵新技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量升級及應(yīng)用等方面的研究:與東華大學(xué)合作開發(fā)碳纖維干噴濕紡技術(shù)和中試裝置;與中國紡織科學(xué)研究院合作開發(fā)T-800級碳纖維必須的高倍蒸汽拉伸設(shè)備;與中國科學(xué)院上海有機所合作開發(fā)碳纖維上漿劑;與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作開發(fā)土木工程用碳纖維增強復(fù)合材料技術(shù)等。

上海石化依托具有自主知識產(chǎn)權(quán)的NaSCN法腈綸生產(chǎn)經(jīng)驗，開發(fā)NaSCN法碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)和特色的碳纖維技術(shù)。2008年，上海石化投資4 000多萬元建設(shè)了0.2 kt/a PAN基碳纖維原絲中試裝置，同年試車產(chǎn)出12 K碳纖維原絲，產(chǎn)品經(jīng)氧化炭化后，達到T-300水平。從2009年開始，上海石化緊緊依托原絲中試裝置，不斷完善和深化碳纖維原絲生產(chǎn)技術(shù)。2010年3月，上海石化開發(fā)形成了T-300千噸級原絲工藝軟件包和千噸級碳纖維工業(yè)化裝置成套技術(shù)，通過了中國石化組織的鑒定。2010年12月開工建設(shè)了年產(chǎn)1.5 kt T-300碳纖維的產(chǎn)業(yè)化項目，2012年一階段0.5 kt/a建成投產(chǎn)。

4 我國碳纖維發(fā)展的建議

4.1 盡快制訂碳纖維發(fā)展的整體規(guī)劃

目前我國碳纖維存在的主要問題一是國家對碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展缺乏整體規(guī)劃，導(dǎo)致一方面總體投入不足，另一方面則是重復(fù)投資、多頭投資嚴重，沒有形成產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合力;二是研發(fā)單位分散，隸屬關(guān)系復(fù)雜，沒有真正形成聯(lián)合開發(fā)、協(xié)同攻關(guān)的國家級隊伍。因此，建議國家有關(guān)部門針對我國碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展和產(chǎn)學(xué)研合作攻關(guān)過程中存在的問題，盡快制訂碳纖維及其復(fù)合材料等戰(zhàn)略性新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的整體規(guī)劃，特別是要重視對碳纖維及其復(fù)合材料的基礎(chǔ)科學(xué)、工程技術(shù)、大型裝備和應(yīng)用領(lǐng)域等研究工作，整體推進碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

4.2 加強建立重點產(chǎn)業(yè)基地

加強以企業(yè)為主體的技術(shù)創(chuàng)新體系建設(shè)，促進產(chǎn)學(xué)研合作，政府可以發(fā)揮積極作用。一方面要以有實力、有基礎(chǔ)的大型企業(yè)為依托，建立健全碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)體系，鼓勵有條件的高校、科研院所參與碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及其下游產(chǎn)品的基礎(chǔ)理論研究和科技成果產(chǎn)業(yè)化工作，解決我國碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后的關(guān)鍵問題，促進碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展;另一方面進一步加大政府性資金和政策對企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系的支持力度，鼓勵企業(yè)建立研發(fā)機構(gòu)和研發(fā)隊伍，在人才引進、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、社會研發(fā)資源配置和稅收政策等方面給予支持，凝聚全社會力量，推進碳纖維及其復(fù)合材料重點產(chǎn)業(yè)基地的建立。

4.3 發(fā)揮區(qū)域合作優(yōu)勢

碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)是一個涉及多學(xué)科、多行業(yè)、多種市場主體的產(chǎn)業(yè)，具有產(chǎn)業(yè)鏈長、生產(chǎn)過程復(fù)雜、技術(shù)難度大、行業(yè)領(lǐng)域跨度大等特點，這就要求我們要以國家發(fā)展戰(zhàn)略為導(dǎo)向，以市場為紐帶，以技術(shù)、資本和財稅政策等多種方式，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)資源共享、原料互供、產(chǎn)業(yè)配套、協(xié)調(diào)發(fā)展，形成上下游緊密結(jié)合的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)群，促進我國碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

建議以大型碳纖維研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)為源頭，根據(jù)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域，組建區(qū)域內(nèi)碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，特別是在碳纖維、碳纖維復(fù)合材料、航空航天、汽車、船舶、新能源制造業(yè)、石油勘探、壓力容器、建筑補強、電磁屏蔽、體育用品等領(lǐng)域培育優(yōu)勢企業(yè)，形成上下游緊密結(jié)合的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用的群體(條件成熟的可以以資產(chǎn)為紐帶強化合作，如日本東麗公司與戴姆勒-克雷斯勒成立合作公司，生產(chǎn)汽車用碳纖維復(fù)合材料部件)，以實現(xiàn)資源配置的最優(yōu)化，提升碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的核心競爭力［13］。

4.4 建立評價和認證機構(gòu)

現(xiàn)在國內(nèi)不少企業(yè)能夠生產(chǎn)相當于T-300的碳纖維，有的已開發(fā)相當于T-700甚至T-800的碳纖維產(chǎn)品，但在實際應(yīng)用時大都存在質(zhì)量問題，嚴重影響了碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用。據(jù)了解，我國目前碳纖維產(chǎn)品與國外同類產(chǎn)品的差距在于質(zhì)量穩(wěn)定性差，我國還沒有解決碳纖維穩(wěn)定生產(chǎn)的問題;還沒有形成對碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及其下游產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管體系和制度，沒有統(tǒng)一的標準和產(chǎn)品評價，也沒有權(quán)威機構(gòu)負責(zé)質(zhì)量監(jiān)管、質(zhì)量評價和產(chǎn)品認證工作，這不利于我國碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

對此，建議設(shè)立國家級或地區(qū)性的碳纖維及其復(fù)合材料評價、認證機構(gòu)，其主要職責(zé)是建立健全碳纖維、碳纖維復(fù)合材料及其下游產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管體系和相關(guān)制度，建立國家級碳纖維及其復(fù)合材料的評價和認證機構(gòu)，制訂國家標準，統(tǒng)一管理進行質(zhì)量評價，負責(zé)碳纖維及其復(fù)合材料在航空航天、汽車、船舶、新能源制造業(yè)、石油勘探等重點領(lǐng)域應(yīng)用的質(zhì)量認證，協(xié)助用戶確保產(chǎn)品的可靠性、安全性和高質(zhì)量以及對環(huán)境的保護和生產(chǎn)成本的控制。

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，碳纖維需求量將與日俱增，是在較長時問內(nèi)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性新材料。隨著碳纖維在國家政策、產(chǎn)業(yè)化、應(yīng)用開發(fā)方面的逐步完善，將會迎來我國碳纖維的快速發(fā)展期。所以，碳纖維工業(yè)的增長潛力巨大，應(yīng)進行長期技術(shù)及市場開發(fā)。

［1］ 常量，張建飛.碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用初探［C］//機械電子工程技術(shù)與應(yīng)用研討會，廣州:2010.

［2］ 趙稼祥.碳纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展與啟示［C］//成都:高性能纖維會議，2011.

［3］ 賀福.碳纖維及石墨纖維［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2010:8－11.

［4］ 楊瑩，編譯.碳纖維制造:大量投資與項目［J］.玻璃鋼，2012(3):44－48.

［5］ 蔡金剛.碳纖維及復(fù)合材料發(fā)展情況［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料 ，2012(2):89－93.

［6］ 侯培民.我國高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化發(fā)展［J］.合成纖維工業(yè)，2009，32(1):40 －43.

［7］ 王鵬，鄒琥，陳曦，等.碳纖維的研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀［C］//高技術(shù)纖維及其面料開發(fā)應(yīng)用論壇，金華:2010.

［8］ 上官倩芡，蔡泖華，碳纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用［J］.上海師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，37(3):275.

［9］ 張家杰.國內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.化工技術(shù)經(jīng)濟，2005，23(4):12.

［10］趙稼祥.世界碳纖維發(fā)展及前景［J］.化工新材料，2012(8):13－16.

［11］馮麗，聞艷萍.我國碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀及建議［J］.紡織科技進展，2012(1):5 －8，31.

［12］余黎明.我國碳纖維行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2011(6):13 －21.

［13］賀福，孫微.我國碳纖維工業(yè)由普及到提高的攻堅勢在必行［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2011，36(4):7 －11，24.