顧佳杰

上海市化工科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所 （上海 200030）

碳纖維（carbonfiber，簡(jiǎn)稱CF）是由有機(jī)纖維在惰性氣體保護(hù)下經(jīng)過(guò)高溫（1000～3000℃）分解與碳化方式形成的含碳量在90%以上的一種新型高分子材料。其強(qiáng)度比鋼鐵高，密度比鋁小，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高彈性模量、耐高低溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、能源、體育休閑等領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值，被稱為21世紀(jì)的“黑色黃金”[1]。以碳纖維性能為標(biāo)準(zhǔn)值1，其與其他材料的性能對(duì)比見(jiàn)圖1[2]。

圖1 碳纖維和其他材料性能對(duì)比

按原絲類型，碳纖維通常可分為三類：聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青（Pitch）基碳纖維和黏膠（Rayon）基碳纖維。其中，PAN基碳纖維因生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本較低、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣的一種碳纖維，市場(chǎng)占有率高達(dá)90%以上；而瀝青基碳纖維市場(chǎng)占有率在7%左右。表1[3]為3種主要原料碳纖維性能的對(duì)比。

按每束絲束數(shù)量，碳纖維可分為小絲束和大絲束兩種。

通常，每束碳纖維數(shù)量大于48 000（簡(jiǎn)稱48 k）根的被稱為大絲束碳纖維（也稱工業(yè)級(jí)大絲束），另外還包括 60 k、120 k、180 k、320 k 和 360 k 等。

表1 三類碳纖維性能對(duì)比

每束碳纖維絲束的數(shù)量小于24 k及以下的碳纖維稱為小絲束碳纖維（也稱宇航級(jí)小絲束），另外還有 1 k、3 k、6 k、12 k 和 24 k 等[4]。

相比大絲束碳纖維，小絲束碳纖維的生產(chǎn)工藝控制要求更嚴(yán)格，生產(chǎn)成本也較高，但絲束越小制造出來(lái)的產(chǎn)品也越輕薄，性能也越高。小絲束碳纖維主要應(yīng)用于航空航天、軍工等高端領(lǐng)域；工藝要求相對(duì)不那么嚴(yán)格、生產(chǎn)成本相對(duì)較低的大絲束碳纖維主要應(yīng)用于汽車、風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。未來(lái)，碳纖維的性能有望得到進(jìn)一步改善，成本也會(huì)更低，其應(yīng)用范圍會(huì)更廣。

1 市場(chǎng)情況

1.1 全球市場(chǎng)

1.1.1 產(chǎn)能情況

2017年碳纖維理論產(chǎn)能為147kt/a，整體平均開(kāi)工率在70%左右，近10年的年均增長(zhǎng)率為9.3%，歷年碳纖維產(chǎn)能情況如圖2所示。

圖2 2008—2017年全球碳纖維產(chǎn)能

目前全球最大的碳纖維制造商為日本的東麗株式會(huì)社（Toray，以下簡(jiǎn)稱“東麗”），在其成功收購(gòu)美國(guó)最大的大絲束碳纖維生產(chǎn)商卓爾泰克公司（Zoltek，下稱“卓爾泰克”）之后，已毫無(wú)疑問(wèn)地成為全球碳纖維領(lǐng)域的霸主，總產(chǎn)能達(dá)到42kt/a。目前東麗在美國(guó)、墨西哥、法國(guó)、意大利、德國(guó)、匈牙利、韓國(guó)及日本都有生產(chǎn)基地。國(guó)際上其他主要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)分別為德國(guó)的西格里碳素集團(tuán)（SGL，下稱“西格里”），日本的三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社（MRC，下稱“三菱麗陽(yáng)”）和東邦機(jī)械工業(yè)株式會(huì)式（TOHO，下稱“東邦”），中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)塑集團(tuán)（FPC），美國(guó)的赫氏公司(Hexcel)和氰特公司（Cytec，已被蘇威收購(gòu)），中國(guó)大陸的中復(fù)神鷹碳纖維有限公司、江蘇恒神股份有限公司、精功集團(tuán)有限公司、威海光威復(fù)合材料有限公司、蘭州藍(lán)星碳纖維有限公司和中安信科技有限公司，另外還有韓國(guó)的曉星集團(tuán)（Hyosung）和泰光工業(yè)公司（TKI），土耳其的阿克薩公司（DowAksa），以及俄羅斯的UMATex。韓國(guó)曉星、泰光是日本東麗在韓國(guó)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移承接企業(yè)，都是資深的化纖企業(yè)，對(duì)碳纖維有很大的戰(zhàn)略安排，未來(lái)隨著技術(shù)的日漸成熟，這些企業(yè)會(huì)成為碳纖維的重要生產(chǎn)廠家。各公司生產(chǎn)能力具體如圖3所示[4]。

圖3 2017全球碳纖維主要制造商

從地域分布[4]來(lái)看（見(jiàn)圖4）：碳纖維產(chǎn)能居前三的仍分別是美國(guó)、日本和中國(guó)，但世界格局從之前的歐美企業(yè)主打大絲束與新興市場(chǎng)、日本企業(yè)主打小絲束與傳統(tǒng)市場(chǎng)，變?yōu)榱?017年的全球大小絲束+新老市場(chǎng)的混業(yè)經(jīng)營(yíng)。日本三大巨頭的市場(chǎng)壟斷地位在增強(qiáng)，依然是世界碳纖維發(fā)展的主力。尤其是在東麗收購(gòu)卓爾泰克，三菱加大大絲束碳纖維的投入后，日本企業(yè)在工業(yè)級(jí)碳纖維方面的抱負(fù)更加明顯。雖然日本的能源及人工成本均比較高，但其技術(shù)上的巨大優(yōu)勢(shì)完全可以彌補(bǔ)這兩個(gè)短板。將來(lái)隨著技術(shù)的成熟與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加大，日本企業(yè)必然會(huì)在大用戶的周邊建廠，或加大到綜合成本相對(duì)較低的國(guó)家建廠的力度。目前東麗旗下的匈牙利和墨西哥基地有望超過(guò)中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)，成為國(guó)際重要的碳纖維產(chǎn)地。

圖4 2017年全球碳纖維理論產(chǎn)能國(guó)家分布情況（kt·a-1）

1.1.2 需求情況

2017年全球碳纖維需求量約在8.42萬(wàn)t左右，預(yù)計(jì)在2019年突破10萬(wàn)t大關(guān)。近10年碳纖維需求量平均年增長(zhǎng)率為9.8%，預(yù)計(jì)未來(lái)仍將以10%左右的速率增長(zhǎng)。歷年全球碳纖維需求情況見(jiàn)圖5[4]。

圖5 全球碳纖維需求情況

在下游應(yīng)用方面（見(jiàn)表2），碳纖維在軍事、工業(yè)和民用等領(lǐng)域都有應(yīng)用，主要為：航空航天、汽車工業(yè)、風(fēng)電葉片，體育用品、混配模成型、壓力容器、建筑補(bǔ)強(qiáng)、電子電器，等等。其中：風(fēng)電葉片為最大應(yīng)用領(lǐng)域，用量約占23.5%；航空航天為第二大應(yīng)用領(lǐng)域，占22.8%；體育休閑為第三大應(yīng)用領(lǐng)域，占15.7%。而應(yīng)用價(jià)值占比位于前三位的分別是航空航天（48.9%），體育休閑（12.9%），風(fēng)電葉片（11.8%）。

1.2 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)

1.2.1 產(chǎn)能情況

2017年中國(guó)碳纖維理論產(chǎn)能達(dá)到26kt/a，但實(shí)際產(chǎn)量約7400 t，實(shí)際開(kāi)工率約為28.5%，與國(guó)際63.4%的平均開(kāi)工率有不小的差距。中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)始終處在“有產(chǎn)能，無(wú)產(chǎn)量”的局面，歸其原因還是中國(guó)碳纖維行業(yè)總體技術(shù)尚未成熟穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量及性價(jià)比相對(duì)較低。但從歷年數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖6）來(lái)看，中國(guó)碳纖維的開(kāi)工率是在不斷提升的，產(chǎn)品質(zhì)量也在不斷進(jìn)步。未來(lái)，隨著中國(guó)碳纖維制造企業(yè)技術(shù)不斷成熟、產(chǎn)品質(zhì)量逐漸穩(wěn)定，慢慢得到市場(chǎng)認(rèn)可后，產(chǎn)量會(huì)持續(xù)放開(kāi)。

表2 2017年碳纖維下游領(lǐng)域應(yīng)用

圖6 中國(guó)碳纖維理論產(chǎn)能、產(chǎn)量及開(kāi)工率

2017年，中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)集中度在加速，7家千噸級(jí)碳纖維企業(yè)的理論產(chǎn)能已經(jīng)占到全國(guó)的84.8%（2016年為79.6%），預(yù)計(jì)未來(lái)該產(chǎn)業(yè)集中度還會(huì)上升。圖7為中國(guó)主要碳纖維制造商理論產(chǎn)能情況。[4]

圖7 中國(guó)碳纖維理論產(chǎn)能主要制造商

1.2.2 需求情況

近幾年中國(guó)碳纖維消費(fèi)增長(zhǎng)迅速，2017年中國(guó)碳纖維需求量達(dá)到2.3萬(wàn)t，10年平均增長(zhǎng)率保持在12%左右，未來(lái)中國(guó)有望以12%的需求增長(zhǎng)率繼續(xù)快速發(fā)展，到2020年需求量有望達(dá)到3.3萬(wàn)t。目前，由于中國(guó)國(guó)產(chǎn)碳纖維難以滿足性能和穩(wěn)定性的要求，中國(guó)碳纖維仍以進(jìn)口為主。隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)不斷摸索，產(chǎn)品質(zhì)量在不斷提升，國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)量有著明顯的提升。歷年中國(guó)碳纖維需求情況如圖8所示。

圖8 中國(guó)碳纖維需求情況

目前，中國(guó)的碳纖維消費(fèi)結(jié)構(gòu)與國(guó)際有著顯著的差異（見(jiàn)圖9）[4]，其中大部分碳纖維都用于體育用品的生產(chǎn)，其次才是風(fēng)電，之后是建筑補(bǔ)強(qiáng)等，而在國(guó)際上占大頭的航空航天業(yè)在中國(guó)只占3.8%。隨著中國(guó)大飛機(jī)項(xiàng)目不斷成熟，未來(lái)中國(guó)航空航天領(lǐng)域的碳纖維需求會(huì)不斷加大，但由于碳纖維對(duì)中國(guó)的出口有諸多限制，航空航天領(lǐng)域的高性能碳纖維還需要我國(guó)企業(yè)不斷努力。

圖9 2017年中國(guó)碳纖維下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)（t）

1.2.3 進(jìn)出口情況

中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈涉及的稅則號(hào)主要包括：68159920（碳纖維）、68159932（碳纖維預(yù)浸料）和68159939（碳纖維制品）等。近3年的進(jìn)出口情況如 表3所示。

表3 中國(guó)碳纖維進(jìn)出口概況

近年來(lái)，我國(guó)碳纖維及制品進(jìn)口量逐年上升，出口量也平穩(wěn)增長(zhǎng)。雖然我國(guó)碳纖維出口量目前還處于低位，但從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看，目前我國(guó)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)有所突破，未來(lái)將會(huì)有新的增長(zhǎng)。

2 技術(shù)概況

目前，最廣泛使用的PAN基碳纖維紡絲原液工業(yè)生產(chǎn)方法有兩種。一種方法是將丙烯腈及共聚單體、溶劑、引發(fā)劑等混合于反應(yīng)釜中，在一定的反應(yīng)溫度、時(shí)間下進(jìn)行聚合從而得到PAN原液，再通過(guò)脫單、脫泡、過(guò)濾等處理，獲得滿足紡絲要求的紡絲原液以供紡絲。另一種方法是將丙烯腈及共聚單體、引發(fā)劑等混合于反應(yīng)釜中，在一定的反應(yīng)溫度、時(shí)間下進(jìn)行聚合，通過(guò)脫單、洗滌、干燥等處理得到PAN粉末，再與溶劑[如三甲基甲酸胺（DMF）、二甲基乙酰脂（DMAc）、二甲基亞砜（DMSO）、濃硝酸、ZnCl2水溶液以及NaSCN水溶液等］混合，之后采用合適的溫度溶解為PAN溶液，最后經(jīng)脫泡、過(guò)濾等處理后，獲得滿足紡絲要求的紡絲原液供紡絲[6-7]。第一種方法通常被稱為一步法溶液聚合工藝制備PAN基碳纖維紡絲原液的方法，第二種方法通常被稱為二步法工藝制備PAN基碳纖維紡絲原液的方法。

紡絲原液的制備難點(diǎn)在于PAN中的氰基有大的偶極，使得PAN分子鏈以螺旋柱狀形式排列，當(dāng)這些螺旋鏈放在一起時(shí)，鄰近的氰基就會(huì)采取反平行方式排列從而形成強(qiáng)的相互作用，使PAN鏈具有高度有序的結(jié)構(gòu)。正是這種氰基之間的相互作用導(dǎo)致了溶液行為的復(fù)雜性，給PAN纖維的溶液紡絲帶來(lái)一些困難，主要表現(xiàn)在：紡絲原液過(guò)濾困難，噴頭操作周期短，噴頭易發(fā)生堵孔現(xiàn)象，生產(chǎn)穩(wěn)定性差，噴絲狀態(tài)易變差，原絲離散性能大，易出現(xiàn)毛絲、斷絲，等。因此，要實(shí)現(xiàn)PAN纖維的高性能化，控制PAN溶液的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)十分重要。

3 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)在碳纖維的產(chǎn)能及應(yīng)用上都已成為碳纖維的大國(guó)，但碳纖維產(chǎn)能總體開(kāi)工率不高，消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍與國(guó)外存在不小的差距，主要集中在中低端產(chǎn)品上。

好的碳纖維必然需要好的碳纖維原絲。中國(guó)在碳纖維生產(chǎn)領(lǐng)域的研發(fā)投入很多，專利申請(qǐng)數(shù)量位居全球第二（第一為日本），隨著中國(guó)自產(chǎn)碳纖維品質(zhì)的提升，中國(guó)碳纖維市場(chǎng)將會(huì)有更大的增長(zhǎng)空間。