徐樑華

（北京化工大學，國家碳纖維工程技術研究中心，北京 100000）

1 國內碳纖維技術與產業(yè)現(xiàn)狀

1.1 技術有序推進

經過近3個五年計劃的 “技術推動+應用牽引”式研究，高性能碳纖維的國產化工作成效顯著，進展有序（圖 1）。

積累了寶貴的經驗教訓。①產學研用高度協(xié)同的研究機制；②關鍵技術研發(fā)實行“雙流水”的成功模式；③“芯片”式的弄虛作假在碳纖維行業(yè)出現(xiàn)過，但沒形成氣候。

圖1 與日本東麗公司技術與產品對標情況

1.2 生產能力建設成效顯著

2018年8 月，千噸級生產線11條，500 t級生產線9條，100～400 t級生產線17條。碳纖維生產能力約 26 000 t，2017 年供應市場 7 400 t（圖 2）。

圖2 2017年國內碳纖維產能（t）

1.3 產業(yè)鏈建設明顯滯后

（1）大多在產業(yè)鏈的中間環(huán)節(jié)，運行與盈利風險大。

（2）單純的纖維制造商、單一產品的纖維制造商生存難度加大。

1.4 產業(yè)支撐能力亟待加強

（1）單線千噸級產能有威海拓展纖維有限公司、江蘇恒神碳纖維有限公司、中復神鷹碳纖維有限公司和中安信、中化藍星、吉林化纖（碳谷）、浙江精功、吉林精功等企業(yè)。

（2）原絲碳化技術鏈有吉林石化、河南永煤、太原鋼科、江蘇中簡、揚州中科院中心、上海石化、邯鄲硅谷、西安康本、江蘇航科、沈陽恒天、浙江泰先等單位。

（3）專注碳化有吉林江城、吉林碳素、吉研高科、大連新科、甘肅郝式、廣東金發(fā)、安徽首文等單位（圖3）。

圖3 國內碳纖維產業(yè)鏈

1.5 產業(yè)化技術成熟水平偏低

碳纖維（新材料）產業(yè)化過程分為5個階段：①預先研發(fā)階段（從0～1）；②小試研發(fā)階段（從1～2）；③中試產業(yè)化階段（從 2～3）；④精益量產階段（從 3～4）；⑤精益研發(fā)階段（從 4～10）。中試階段有的是裝備具有中試規(guī)模，有的就是產業(yè)化規(guī)模裝備，只是生產負荷沒有達到（≤3）。

持續(xù)發(fā)展的健康模式需高度關注（圖4）。

圖4 國內碳纖維發(fā)展模式

1.6 知識產權與標準體系建設欠賬太多

“十二五”期間在中國境內申請的專利：①碳纖維及其復合材料共申請專利32 854件。②發(fā)明20 799件，其他12 055件。③已經審核結束的8 005件發(fā)明專利中授權率58.8%，失效率41.2%。④碳纖維產品及其制造方法843件，碳纖維復合材料及其應用32 011件。

“十二五”期間高性能纖維及其復合材料技術標準：①已經出版18個標準。其中：產品標準4項，測試方法標準11項，其他標準3項。②推薦12個標準。其中：產品標準0項，測試方法標準9項，其他標準3項。③出版：聚丙烯晴基碳纖維，碳纖維密度的測定。

我國碳纖維產業(yè)（技術）呈現(xiàn)出“四多四少”的尷尬狀況：①企業(yè)多龍頭少；②產能多產量少；③用量多國產少；④跟蹤多原創(chuàng)少。我國碳纖維產業(yè)發(fā)展“前有堵截、后有追兵”，不僅面臨日美的高端禁運和低端擠壓，也面臨韓/土耳其/印度等后發(fā)國家的快速追趕，生存環(huán)境嚴峻。

2 國產碳纖維技術發(fā)展前景分析

2.1 碳纖維技術與材料屬性

2.1.1 技術（產業(yè)）鏈長

兩頭有話語權、中間被動，產業(yè)鏈越短越被動。

2.1.2 體系化要求高（圖5）

圖5 碳纖維體系

2.1.3 產品品種呈多元化特點

品種系列豐富，新品種不斷出現(xiàn)（圖6）。

圖6 碳纖維產品品種

表1 碳纖維的性能和比重

2.1.4 屬于貴族材料、小眾產品

性能+比重，碳纖維是最好的材料，結構輕量化首選（表 1）。

碳纖維應用從航天航空逐步拓展到人類社會的各個領域，從“貴族”材料向平民化材料發(fā)展。

碳纖維永遠是貴族材料，不會是平民材料，具有定制化的價值。

2017年全球需求約8萬t，中國大陸2.3萬t。

根據(jù)全球10%，中國12%的增速測算，到2030年全球 29萬 t，中國 9.6萬 t（圖 7）。

圖7 2017年全球樹脂基復合材料需求-應用領域（萬t）

2.2 國產碳纖維技術發(fā)展需要考慮的問題

2.2.1 迎合應用市場發(fā)展規(guī)劃（圖8）

圖8 突出需求牽引的發(fā)展模式

2.2.2 理解中國特色發(fā)展模式的內涵

高質量高效益發(fā)展和可持續(xù)健康發(fā)展新臺階。

中國模式：“軍品上水平，民品上規(guī)?！?。

（1）技術（產品）對標為主逐漸向技術（產品）創(chuàng)新發(fā)展-服務軍。

（2）提倡自主創(chuàng)新，最大程度發(fā)展碳纖維的效能-服務民。

（3）防止“講故事忽悠”、“新瓶裝老酒”等偽創(chuàng)新。

2.2.3 國產碳纖維技術發(fā)展重點分析

（1）纖維應用技術、復合材料應用市場需要的碳纖維制備技術

①實施自主創(chuàng)新——對標式技術與產品研發(fā)向自主品牌創(chuàng)新過渡。

②建立定制理念——圍繞具有發(fā)展前景的大市場，研發(fā)專用碳纖維技術，充分改良碳纖維的不足，提升碳纖維材料的性價比。

③碳纖維本征性能要為應用服務。

從玻璃纖維為主的纖維應用發(fā)展為碳纖維織物等預制件制備、碳纖維復合材料制備，國產碳纖維有大量工作要做，許多涉及碳纖維材料本身特性問題。

不同應用領域對復合材料的性能要求的側重面不同，一味采用標配式碳纖維材料，往往出現(xiàn)“優(yōu)勢點不足、其余浪費”現(xiàn)象。

根據(jù)碳纖維單線產能現(xiàn)實，年使用量在千噸級以上的，定制導致成本上漲的因素基本可以消除。

考慮成本與市場等因素，“定制化”工作可以從風電領域試點。

④需求牽引式→需求牽引+技術推進。

⑤國產碳纖維發(fā)展空間（圖9，10）。

圖9 中國樹脂基碳纖維復合材料需求-應用領域（t）

圖10 2017年全球樹脂基復合材料需求-應用領域（萬t）

（2）滿足國防應用需求的碳纖維高性能化技術

①繼續(xù)對標成熟的國際品牌，發(fā)展國產碳纖維產品。

②提高復合材料的綜合性能。

2013年10 月在美國的復合材料展會上美國赫氏公司展出了IM10碳纖維實物，該碳纖維的拉伸強度達到6.96 GPa、拉伸模量達310 GPa，并已應用于大型客機等領域，但碳纖維的直徑只有4.4 μm。

2014年3月10 日日本東麗公司在其管網報道了T1100碳纖維的消息，碳纖維的拉伸強度6.6 GPa，拉伸模量324 GPa，直徑保持在5 μm左右；最新的東麗公司官網已經把該款碳纖維的拉伸強度提高到7.0 GPa，并已實現(xiàn)產品化生產。

2015年《航空情報》第26期報道美國佐治亞理工學院研制出拉伸強度5.5～5.8 GPa、拉伸模量354～375 GPa的碳纖維，顯示出碳纖維復合材料向綜合性能均衡提高的發(fā)展趨勢。

（3）研發(fā)新一代先進復合材料用碳纖維制備技術（表 2）

表2 第三代先進復合材料的發(fā)展對碳纖維提出前所未有的苛刻要求

（4）顛覆性（新）技術探索研究

①關注新技術苗頭。

從專利申請的動態(tài)分析表明，碳纖維制備過程中的聚合、紡絲、預氧化碳化三大部分的專利申請量近幾年快速增長，特別是聚合工藝，新技術不斷突破和改進，碳纖維制備技術發(fā)展更加多元化。

2011年，東麗公司遞交了一項涉及PAN系聚合物及其制造方法，表明東麗公司在PAN聚合的共聚單體選擇上可能有了新的研究進展和突破，值得業(yè)內關注。

②關注顛覆性技術創(chuàng)新。

顛覆性技術1：PAN熔融紡絲技術（圖11）

圖11 PAN熔融紡絲技術

通過聚丙烯腈大分子結構修飾或添加合適助劑等化學、物理方法，降低聚合物分子間的強烈絡合效應，有效消除聚丙烯腈二級玻璃化轉變溫度和結晶性，降低其熔融溫度，實現(xiàn)熔融紡絲工藝的實現(xiàn)。

顛覆性技術2：新型碳纖維前驅體制備技術（圖 12）

圖12 新型碳纖維前驅體制備技術

合成新型多環(huán)芳香族聚合物，經熔融或溶液濕法紡絲獲得纖維，不經過熱穩(wěn)定化處理環(huán)節(jié)直接進行高溫碳化，不僅簡化碳纖維制備工藝，還將獲得一種新型的碳纖維品種。

顛覆性技術 3：新型熱源技術

用新型熱源替代傳統(tǒng)的輻射熱源技術，不僅可提高熱能利用率，在消除纖維皮芯結構差異、提高碳纖維本征性能方面將顯示出效果。

如將等離子體加熱技術應用于聚丙烯腈纖維的預氧化反應、微波感應加熱技術應用于聚丙烯腈預氧纖維的碳化反應等。

（5）復合材料（碳纖維）回收（回用）技術（圖13）

圖13 碳纖維回收技術

（6）碳纖維及其復合材料數(shù)據(jù)庫累積

標準化工作，為碳纖維產業(yè)服務，為復合材料應用服務（數(shù)據(jù)庫建立的基礎）。

3 結語

結合實例介紹了國內碳纖維技術與產業(yè)現(xiàn)狀,分析了國產碳纖維技術的發(fā)展前景。對于結構輕量化，碳纖維材料應是首選。目前碳纖維應用已從航天航空逐步拓展到人類社會的各個領域。適應市場需求，實施自主創(chuàng)新，對標式技術與產品研發(fā)向自主品牌創(chuàng)新過渡，圍繞具有發(fā)展前景的大市場研發(fā)專用碳纖維技術，充分改良碳纖維的不足，提升碳纖維材料的性價比，提高復合材料的綜合性能等，都是國產碳纖維技術發(fā)展需要關注的問題。