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放眼世界 苦修内功——国外碳纤维产业发展启示

  ■本报记者段丹晨

  碳纤维,被誉为材料界的“黑色黄金”,性能高端、产量稀少,但却用途广泛,特别是在航天军事等高端领域,碳纤维更发挥着不可替代的作用。因此,许多企业都在碳纤维材料的研发与生产上投入了大量精力。

  如此重要的材料,其生产和研发的难度不亚于攀登珠穆朗玛峰。目前,碳纤维材料的市场基本被日本、美国等发达国家所垄断。近几年,我国的碳纤维产业也得到了迅速发展,中复神鹰等企业也逐渐拥有了与日美等国企业一较高下的实力。

  但我国的碳纤维行业若想获得更长远的发展,也需吸收和借鉴其他国家的发展经验,进而突破自身发展瓶颈,在碳纤维市场中分得更大的蛋糕。

  国际风云日美两家独大

  20世纪中叶,发达国家投入大量人力和物力研究碳纤维,碳纤维复合材料最初由于其在结构轻量化中无可替代的材料性能,首先在军用航空航天领域得到了青睐;1959年,日本大阪工业技术试验所的进藤昭男首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,1964年,英国皇家航空研究所(RAE)的瓦特等人打通了生产高性能聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的工艺流程,在纤维的热稳定化过程中施加了张力牵伸,以满足结构的转化,使聚丙烯腈(PAN)基碳纤维成为主流产品,并于20世纪70年代开启民用碳纤维商业化应用;20世纪80年代至90年代,碳纤维在民用航空领域的引领下得以快速发展;进入21世纪,碳纤维生产工艺技术已经成熟,随着碳纤维应用领域的扩大,碳纤维的市场需求急剧增加,碳纤维产业日趋成熟。

  碳纤维很少直接应用,大多是经过深加工制成中间产物或复合材料使用,碳纤维复合材料作为结构件或功能件现已广泛应用在航空航天、工业和体育休闲用品三大领域。碳纤维以其质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域,如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭、人造卫星和雷达罩等,且航空航天领域用碳纤维的性能等级相对而言是最高的。在工业领域,碳纤维广泛应用在汽车、电缆、风能发电、压力容器、海洋产业、电子器件、工业器材和土木建筑等;在体育休闲用品领域,高尔夫球杆和钓鱼竿最早获得应用,近年来,自行车、网球拍、羽毛球拍等体育用品也越来越多地使用碳纤维材料。

  从全球碳纤维市场的份额划分看,国际碳纤维市场依然为日、美企业所垄断。日本是全球最大的碳纤维生产国,世界碳纤维技术主要掌握在日本公司手中,其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位,日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。

  据相关数据显示,在小丝束碳纤维市场上,日本企业所占有的市场份额占到全球产能的49%;在大丝束碳纤维市场上,日本企业所拥有市场份额占到全球产能的52%,美国企业所拥有的市场份额占全球产能的24%,日美两国合计拥有全球76%的大丝束碳纤维生产能力,处于明显的主导地位。

  目前全球碳纤维制造的主导者是日本和他们设立在欧美的工厂,其次是依靠欧美航空航天市场健康发展的美国HEXCEL和CYTEC公司,以及依靠强大工业创新体系的德国SGL公司,随着中国在碳纤维领域投入的不断增大,中国碳纤维产量占世界份额也在不断提高。

  国内趋势亟待自主创新

  目前国内大小碳纤维生产企业近40家,2010至2014年期间,我国碳纤维产能从6445吨增至15000吨,产量从1500吨增至3700吨,发展取得了相当的成绩。

  据统计,目前国内碳纤维在航空航天、体育休闲和工业应用三大领域的用量比例是4%、67%和29%。其中,体育休闲占绝大多数,而在民用航空、交通工具、新能源装备、工程建设等方面的应用虽然已经开始起步,但应用水平偏低。

  目前国内碳纤维市场中,国产碳纤维自给率只有20%左右,对外依存率达到80%。中复神鹰的工作人员在采访中曾表示,国外碳纤维企业通过技术及价格优势打压国内碳纤维企业,使我国的碳纤维市场长期受制于欧美及日本等国家。

  碳纤维复合材料的设计水平不足,配套的材料缺乏,相关的应用标准体系不健全,导致应用领域窄。此外,树脂、上浆剂等配套材料品种少、性能不足,复合材料用辅助原料还不能完全实现自主供给,部分品种还依赖进口等,不仅制约了碳纤维复合材料在高端制品上的应用,同时还严重影响着国产碳纤维的市场应用。

  国外碳纤维龙头企业使用的设备基本上都是根据自身技术特点进行的自主设计,在专有设备的基础上改进升级,形成了具有自主知识产权的专有碳纤维生产装备;而国内引进的国外生产设备是非禁运通用型碳纤维生产装备,且价格较高。虽然国内碳纤维生产企业中设计产能千吨级以上的有3~4家,但由于缺乏核心技术团队,大多数碳纤维生产企业对进口生产装备的技术参数和性能指标缺乏消化和吸收能力,生产线自动化程度和对自身碳纤维生产技术的匹配性远远落后于国外同行,导致生产工艺的稳定性和过程控制的一致性较差,影响了碳纤维产品质量和稳定性,且生产成本很高,造成设备闲置、经营亏损,无法与国际先进企业竞争。

  不仅如此,目前我国大多数碳纤维企业产品处于低端领域,且行业集中度不高,有能力生产航空航天用的高端碳纤维企业屈指可数,大量企业集中于体育领域。但日本、美国等发达国家的碳纤维行业集中度极高,日本以东丽、东邦、三菱为主,美国则以HEXCEL和CYTEC占大头,在价格制定和攻关科研方面更容易形成合力。

  更重要的是,我国碳纤维的产业链需要进一步完善。目前,国外已经形成设计、制造、分析及验证、应用牵引系统化的碳纤维复合材料体系。如日本东丽和美国赫克塞尔都有预浸料、织物、短切纤维、夹层材料等中间成型物,同时,直接为客户提供量身定制的复合材料解决方案和产品,方便了客户的使用,也解决了碳纤维产品与树脂匹配性问题。由于国内大部分碳纤维复合材料企业技术尚不成熟,缺乏相应的研发及工艺支持,目前尚未能形成体系化、系列化的碳纤维产业链发展模式。

  虽然我国的碳纤维产业目前较世界先进水平仍有差距,未能在市场上抢占先机。但随着碳纤维市场需求的不断扩大和国家经济发展结构调整,只要相关企业抓住机遇,加强自主创新研发,相信中国的碳纤维产业也将分得更大的蛋糕。

责编:丁涛