國內外碳纖維應用領域、市場需求

以及碳纖維產能的進展（3）

 

錢伯章

編輯：廣東弗艾博纖維技術研究有限公司

（上海擎督信息科技公司 金秋能源石化工作室，上海 200127）

 

摘 要:匯述了碳纖維應用領域、世界碳纖維市場、世界碳纖維制造商產能及擴產計劃、聚丙烯腈（PAN）基碳纖維生產商與制造工藝以及中國碳纖維發展現狀與趨勢，尤其近年來在大飛機重大專項的牽引下，我國各地爭上千噸級碳纖維項目，而形成“碳纖維熱”。同時，為縮小與國外先進水平的較大差距，提出“突破PAN原絲關鍵技術瓶頸，避免重復引進和重復研究，加快提升自主創新能力”3項發展建議。

關鍵詞:碳纖維；應用領域；市場需求；產能；進展

中圖分類號: TQ342.742; TQ327.3   文獻標識碼: A   文章編號: 1007-9815（2010）02-0029-05

 

5 中國碳纖維發展現狀與趨勢

 

5.1 國內需求

盡管我國碳纖維生產發展較為緩慢，而消費量卻一直呈逐年增加的趨勢，市場需求旺盛。據有關部門統計，2008年我國碳纖維的年需求量已超過7 000 t，2010年將突破8 500 t。主要應用領域為：成熟市場有航空航天及國防領域（飛機、火箭、導彈、衛星、雷達等）和體育休閑用品（高爾夫球桿、漁具、網球拍、羽毛球拍、箭桿、自行車、賽艇等），新興市場有增強塑料、壓力容器、建筑加固、風力發電、摩擦材料、鉆井平臺等，待開發市場有汽車、醫療器械、新能源等。

聚丙烯腈基碳纖維（PA N - C F）在體育用品、民用飛機、工業領域已成為重要的基礎材料。在我國全面啟動和實施的大飛機重大專項整體配套項目中，包括了碳纖維等化工新材料項目。新型能源產業的發展，醫療器材、土木建筑行業的技術進步等也將帶動對碳纖維產品的需求。

近年來，中國航空航天技術的快速發展急需高性能碳纖維及其復合材料，我國體育休閑用品及壓力容器等領域對碳纖維的需求也迅速增長，體育休閑用品的使用量最大，占消費量的約80%～90%。我國正處于經濟快速增長時期，隨著西部大開發、中部崛起、東北振興等戰略的不斷深入，碳纖維將會越來越多地被用于建筑工程和結構制品中。同時，隨著我國汽車業的不斷發展，碳纖維有可能在我國被大范圍的應用到工業領域中。另一方面人們物質文化生活水平的不斷提高，會有越來越多的人參與各種運動休閑活動?？紤]到我國對碳纖維的應用還在不斷發展，許多用途還有待開發，碳纖維在我國將會有極為廣闊的市場前景。此外，全球碳纖維市場發展迅速，需求量的不斷增長對我國碳纖維行業的發展提供了難得的機遇。

中國復合材料學會呼吁各界共同努力，力爭使我國大飛機復合材料用量至少達到25%。我國大型飛機研制項目從立項開始，就得到了各界人士的高度關注。機體結構復合材料化程度是飛機先進性的重要標志。碳纖維復合材料能提高飛機的結構效能并降低制造成本，飛機結構復合材料化是大勢所趨，并將從根本上改變飛機結構設計和制造傳統?，F在，我國碳纖維復合材料已經具有一定的研究和應用水平，并形成了一支從設計、材料到制造配套的研發隊伍。各大主機廠均已建立了較完善的復合材料生產手段和車間，完成了相應的技術改造，碳纖維復合材料在各種軍、民機型號上已獲得應用。

不過，我們在應用規模與水平、設計的理念方法和手段、材料的基礎和配套制造的工藝、設備等方面均與國外先進水平有一定差距，尤其是實際應用方面。如我國軍用戰斗機上碳纖維復合材料最大用量尚不足10%，世界軍機的機翼自上世紀80年代后就早已復合材料化了，我國至今尚無批生產的復合材料機翼問世；最新研制的ARJ21支線客機復合材料用量不足2%。

哈爾濱飛機工業集團公司已經具備大飛機碳纖維復合材料研制的基礎，可以在較高起點上與國外競爭。但由于國內碳纖維復合材料項目多而亂，沒有很好的組織管理模式，嚴重影響了碳纖維復合材料的應用推廣。為此，在大飛機用碳纖維復合材料開發推廣應用上，必須要掌握各種關鍵技術，積極開展對內整合、對外合作。在技術攻關方面，要立足國內，有所創新，才能分得一杯羹。在產業發展方面，應邊攻關邊研制邊設計。

我國屬于碳纖維消費大國，但我國2 0 0 8年碳纖維產能僅2 000 t左右，而且主要是低性能產品，沒有形成規?；a業，絕大部分依賴進口，由于缺少具有自主知識產權的技術支撐，國內企業目前尚未掌握完整的碳纖維核心關鍵技術。我國碳纖維的質量、技術和生產規模與國外差距很大，其中高性能碳纖維技術更是被西方國家壟斷和封鎖。

 

5.2 研發與生產進展

我國從上世紀7 0年代中期開始研發高性能碳纖維，經過近40年的發展，已取得了長足的進展，并在航天主導產品上得到了廣泛應用。但從目前來看，國產碳纖維與進口產品特別是高端產品相比，在產品質量、功能的多樣性以及產品性能的穩定性方面，都還存在著較大的差距。

我國對碳纖維的研究起步并不晚，雖取得了一些進展，但多年來發展較為緩慢。20世紀60年代，由中科院長春應用化學研究所率先開始PAN基碳纖維的研究，70年代初完成了連續化中試裝置。其后上海合成纖維研究所、中科院山西煤化所、北京化工大學、山東工業大學等也開始研究工作，并于80年代中期通過了中試，進入產業化試生產階段，先后建成了從年產幾百千克到幾噸的小試裝置和年產幾十噸的中試裝置。但總體而言，不論是技術水平、生產能力和產品質量等都與國外先進水平有較大的差距。

進入2 1世紀以來，國內碳纖維產業發展較快，安徽華皖碳纖維公司率先引進了年產500 t原絲、200 t PAN-CF生產裝置，成功地填補我國碳纖維及原絲工業產業化生產空白。該公司還計劃5年內在自主研發的前提下，將碳纖維的年生產規模發展到1 000 t，同時配套年產2 500 t原絲，其中一部分碳纖維用于軍工領域，一部分通過制成下游產品預浸布后投放市場。從2000年開始，我國碳纖維向技術多元化發展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術獲得成功。目前利用自主技術研制的少數國產碳纖維產品已經達到國際同類產品水平。

近年來，國家有關部委已將碳纖維技術的產業化進程作為我國的一項戰略任務。隨后，一些企業相繼加入碳纖維生產行列。目前，我國已有吉林神舟碳纖維公司、山東天泰新材料股份有限公司、浙江嘉興中寶碳纖維有限公司、保定天鵝化纖集團、大連興科碳纖維有限公司、山西恒天紡織新纖維科技有限公司等生產規模大小不一的碳纖維生產廠家，合計年生產能力為2 310 t。據不完全統計，目前擬建和在建的碳纖維生產企業有11家，合計生產能力為原絲年產量7 100 t、碳纖維1 560 t，其中在建企業為4家，合計生產能力為原絲年產量1 100 t、碳纖維470 t。

2008年，我國全面啟動和實施的大飛機重大專項整體配套項目中，包括了碳纖維在內的諸多化工新材料項目，隨著以該專項為代表的國內各領域對碳纖維產品需求的增加，許多碳纖維研究項目或千噸級產業化項目紛紛啟動。然而，由于我國碳纖維行業缺乏具有自主知識產權的核心產業化技術，產業發展不會一蹴而就，但發展契機已到。

據介紹，從技術研發到產業化轉化的難度更大，因此碳纖維要真正實現國產化還需要一個漫長的過程。由于市場短缺，近年來國內出現了“碳纖維熱”，眾多科研院所和企業紛紛啟動了碳纖維研究或千噸級產業化項目。但應指出，雖然當前國內市場對碳纖維產品需求較大，但盲目發展存在很大風險，這些千噸級項目實施幾年以后市場出現過剩將成為必然。

國家發改委于2008～2009年組織實施高性能纖維復合材料高技術產業化專項，重點支持碳纖維、芳綸、高強高模聚乙烯纖維及其高性能復合材料的生產技術及關鍵裝備的產業化示范，以滿足國民經濟以及航空航天等高技術產業發展的需求，培育一批具有國際競爭力的龍頭企業。

在高性能碳纖維復合材料項目中，國家將重點支持千噸級高性能碳纖維和PA N原絲生產工藝技術，預氧化爐、碳化爐等大型關鍵設備制造，紡絲油劑、碳纖維上漿劑、預浸料等重要輔助材料開發，以及高性能樹脂基體材料開發、高性能碳纖維復合材料應用技術的產業化等；制定和完善高性能碳纖維生產、產品和應用的相關標準。

要真正實現這一目標，我國應加強規劃引導和整合，積極開展多學科交叉研究，聯合攻關碳纖維技術，把PAN原絲研發放在首位，堅持產業化和研發兩條戰線布局，在國產碳纖維的核心關鍵技術和裝備上有所突破。在材料、化工、裝備等領域應抓住建造國產大飛機的契機，建立符合國際規范的中國碳纖維標準和技術體系，為將來國產大飛機應用做好準備。

 

近期在碳纖維研發與投產方面：

⑴?上海石化公司腈綸事業部研制開發的碳纖維12 k原絲經后續碳化，碳纖維強度、模量、密度等關鍵指標已經達到日本東麗公司T-300級碳纖維指標標準，為下一步實現工業化生產打下基礎。上海石化公司腈綸事業部腈綸研究所于2005年3月成立碳纖維研室，開始了碳纖維的研發工作。利用事業部原中試聚合裝置進行一次又一次攻關，2006年終于試制出碳纖維原絲用聚合體約1 t。這1 t聚合體相繼在東華大學、山東大學、北京化工大學的試驗設備上完成了聚合體的酸洗、干燥、溶解、紡絲、預氧化和碳化。上海石化自有碳纖維終于誕生，碳纖維強度達到2.5 GPa，符合我國Ⅱ型碳纖維的指標，實現了該企業碳纖維產品零的突破，并在高新技術纖維領域填補了國家空白。

從2007年4月起，上海石化腈綸部加快了碳纖維的開發步伐。該部將原中試裝置由碳纖維研發試驗專用，科研人員在中試裝置上進行了4個聚合配方和8個批次的紡絲試驗，根據實驗結果不斷改進方案。其間，腈綸部申報了“一種去除聚丙烯腈樹脂中堿金屬雜質的方法”等3項專利，為形成上海石化自主碳纖維原絲技術做好了充分的技術準備。為使試驗裝置能滿足原絲試制的要求，

2008年5月14日，碳纖維原絲中試裝置改造啟動。2008年11月首次投料試驗。目前，腈綸部已在該裝置上進行3次試驗，試制的12 k原絲經后續碳化，碳纖維強度、模量、密度等關鍵指標，已經達到日本東麗公司T-300級碳纖維指標標準。上海石化碳纖維的研制和開發，已向工業化生產邁出堅實的一步。

⑵?中復神鷹碳纖維有限公司萬噸級碳纖維一期工程，于2008年12月3日在江蘇連云港基地投產，形成1 000 t/a規模碳絲生產能力，碳纖維技術首次在國內實現批量生產，打破了美、日兩國主導國際碳纖維市場的局面。“六五”以來碳纖維一直是國家重點研發并實施科技產業化的攻關項目。中復神鷹公司的前身連云港鷹游紡機公司與江蘇奧神集團合資成立了神鷹新材料有限公司，其碳化生產線2007年5月投產，碳纖維產量在20 t左右。2007年10月中國建材旗下的中國復合材料集團加入，3方成立中復神鷹碳纖維有限公司，新建了2 500 t/a PAN-CF原絲和1 000 t/a碳化生產線，從設備到生產百分之百實現了國產化。目前，中復神鷹已形成了3 200 t/a原絲、1 220 t/a碳絲的前后配套能力。據中國復合材料集團介紹，中復神鷹的產品大部分提供給中國復合材料旗下生產風力發電葉片的中復連眾公司。12月3日，中復連眾的2 MW風電葉片也已成功下線，成為全球兆瓦級葉片單廠產能最大的廠家之一。雙方的合作將產生巨大協同作用。據介紹，中復神鷹從2009年開始攻關T700碳纖維項目，開工建設2 000 t/a生產線，在2年內達到 3 000 t/a規模，3～5年內達到1 萬噸。中復神鷹的碳纖維未來也會考慮用于民用飛機生產。

⑶?2009年3月5日，沈陽康平高性能碳纖維產業園框架協議簽約。該項目總投資30億元，由中國化學纖維工業協會牽頭，中纖創業投資公司、中國恒天集團等5家大型企業共同組建的沈陽中恒碳纖維產業集團有限公司投資建設。項目于5月開工建設，建設期3年。屆時將實現年產PAN原絲12 500 t/a、PAN-CF 5 000 t、碳纖維預浸料400 萬 m2。

⑷?2009年3月19日，衢州市經濟開發區與浙江巨鑫碳纖維有限公司簽訂投資協議，總投資約3.9 億元的巨鑫碳纖維項目落戶該市經濟開發區。巨鑫碳纖維項目主要從事碳纖維原絲生產、纖維碳化以及復合材料的研發、生產和銷售，達產后年銷售額將達10億元以上。

⑸?從2002年開始，中國石油吉林石化公司先后組織4次科研攻關，針對硝酸法生產工藝中溶劑硝酸遇熱分解腐蝕嚴重的問題，在小試研發基礎上，研發出了亞砜法連續濕法紡絲技術，建成10 t/a原絲裝置。隨后，針對亞砜法原絲金屬離子含量高、線密度離散大等問題，對原絲裝置設備材質、傳動精度、操作環境進行了改造，解決了聚丙烯腈原絲關鍵生產技術瓶頸。針對碳纖維產品長程線密度離散大、灰分含量高、微觀結構差等問題，對聚合工藝及碳化工藝進行了優化，采用間歇聚合、堿性凝固成型、分步上油、表面處理技術，開發出了高端碳纖維產品。2009年5月，百噸級碳纖維裝置全面建成投產，實現產業化。吉林石化碳纖維產品主要性能指標與日本東麗公司T300碳纖維產品相當，處于國際先進水平。該廠2009年碳纖維的產量將達到148 t，接下來將加快推進千噸級、萬噸級碳纖維產業化進程，計劃用3～8年的時間，實現碳纖維市場化和規?；?。

⑹?西安⑹?西安康本材料有限公司高強度HTCF-1級PAN-CF工程中試裝置于2009年7月初建成投產，進入試生產階段，目前裝置運行穩定。據介紹，HTCF-1級PAN-CF項目總投資4.6 億元，其中一期工程20 t/a碳纖維工程化生產線（即中試裝置）于2007年11月在西安閻良國家航空高技術產業基地開工建設。2009年3月原絲生產線投料試生產，6月上旬碳化生產線成功實現全線貫通，打通工藝流程，產品性能達到國外同類產品水平，目前裝置運行穩定?？蒲腥藛T先后攻克了原料純化及紡絲液過濾技術等多項關鍵技術，并自主研發了聚合反應釜等碳纖維生產核心設備。面對國外的技術封鎖，西安康本材料有限公司利用現有技術，適時進行了高性能碳纖維工程化項目開發。據了解，西安康本材料有限公司依托航天四院的雄厚技術實力，積極發展碳纖維復合材料新興產業。該公司計劃在碳纖維工程化生產線建成并實現穩定生產的基礎上，將啟動二期工程，投資2.1 億元建設1 000 t/a碳纖維產業化項目，預計2010年底建成投產。

⑺?2 0 0 9年8月2 6日，沈陽中恒新材料有限公司碳纖維產業在沈陽市康平縣奠基，使我國碳纖維產業結束了長達數十年研發、生產與應用相互脫節、分散發展的局面，進入產業鏈優勢整合與集中建設的新階段。沈陽中恒新材料有限公司（簡稱中恒公司）由中國恒天集團、中國化纖創業投資有限公司、遼寧天維紡織研究建筑設計集團有限公司、揚州惠通聚酯技術有限公司和吉研高科技纖維有限公司5家企業共同投資組建。5家企業分別在碳纖維原絲、碳化、下游制造及成套裝備生產等產業鏈各個環節擁有核心技術，中恒公司的組建將有效整合產業鏈技術優勢，大力推動我國碳纖維產業實現重大突破。新組建的中恒公司主要從事碳纖維原絲、碳纖維及其制品，特種纖維及復合新材料的研發與銷售，同時開展化纖原輔料、金屬材料、化纖化工設備、工程技術開發及新材料產業項目投資等多項業務。一期工程將建成年產1 500 t國產化高性能PAN原絲、500 t碳絲生產線及360 萬m2碳纖維預浸料生產線。經過3～5年發展，中恒公司將建設成為我國在碳纖維生產、研發領域產業鏈、供應鏈齊全的具有相當市場占有率的大型科技型企業。目前我國碳纖維產業總體水平較為落后，在原絲質量穩定性、碳化爐等關鍵設備制造以及碳纖維下游制品的模具制造等方面與國際先進水平差距較大，中恒公司在今后的發展中應加強產品穩定性、生產低成本等方面的技術攻關，以高品質、低成本的產品，滿足我國科技、經濟和社會發展的需要。

 

5.3 發展建議

 

5.3.1 突破PAN原絲關鍵技術瓶頸

日本、美國等主要生產公司長期以來不但對高性能特種原絲制備技術高度保密、不肯轉讓，也不出售高性能特種原絲產品，而且成套技術引進的可能性小。國內在制約碳纖維發展的諸多原因中，PAN原絲水平的落后是制約碳纖維生產水平提高的瓶頸，不僅影響碳纖維的質量，而且影響其產量、生產成本和市場競爭能力。當前亟待掌握高性能PA N原絲生產技術，搶占市場先機。在完善碳纖維生產技術的前提下，盡快在PAN原絲制造工藝技術上取得突破，發展高質量的上游產品生產線，保證碳纖維生產穩定、產品優質，從而在關鍵技術上打破了國外的封鎖與壟斷。

5.3.2 避免重復引進和重復研究

高性能纖維是國家材料科學發展的重要制高點，是國家重要的戰略性基礎材料，其技術突破與產業化應用對于推動社會發展有重要價值，決不能走以獎代研的路子，而是要敢于打破國外核心技術的壟斷與封鎖，堅定不移地走一條中國特色的自主創業和發展之路，不斷提高自主創新的能力，有重點地突破碳纖維產業化發展制約“瓶頸”，提高國產化先進水平，縮小同發達國家的差距，在世界高性能纖維日新月異的新形勢下盡快占有一席之地。同時要借鑒國外先進經驗，加強產學研用緊密結合，建立相關機制，把高性能纖維產業發展上升到國家戰略高度，使我國碳纖維產業能夠快速健康地發展。

 

參考文獻：

 

[1] 錢伯章. 新能源科技與生產[J]. 北京:科學出版社,  2009.

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[4] 汪家銘. 聚丙烯腈基碳纖維的發展與應用[J]. 化工新 型材料, 2009, (8): 12－14