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中国碳纤维发展现状与趋势 |
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| http://cn.newmaker.com
11/4/2013 11:33:00 AM
CPRJ 中国塑料橡胶
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钱伯章
碳纤维被誉为“黑色黄金”，在国际上被称为继石器和钢铁后的“第三代材料”，对国家重大装备制造生产和产业优化升级具有重大意义，是中国“十二五”重点发展的战略性新兴产业。
碳纤维发展现状与思考
碳纤维作为战略性新兴产业中的一种重要产品，正受到越来越多的关注，国内碳纤维生产线建设也异常热闹。然而，相比日本，中国碳纤维研发和产业化技术落后20-25年，目前该产业仍然处于培育阶段。
就产品而言，中国高性能碳纤维基本处于空白，目前国内只有相当于或次于T300级碳纤维的产品，T700级碳纤维尚处于工程化研究阶段，T800、MJ系列碳纤维尚在攻关，而且牌号、规格单一。目前国内以3k（每束3000根）、12k的T300级碳纤维为主打产品。国外单线最大产能已达1800吨 (12k)，生产效率高。相比之下中国生产技术和设备规模均有较大差距，因此成本差异很大，导致中国碳纤维产品没有市场竞争力。
相对于有些落寞的技术开发，碳纤维生产线建设却一片红火。目前中国碳纤维生产企业已近30家，规划产能在7-8万吨/年。除了民营企业，中国石油、中国石化、中国化工、中国钢铁、中国建材、首钢国际等大型国企都已介入。
投资如此火热一方面是企业看好碳纤维市场前景。未来碳纤维市场的增长点在风电叶片、建筑材料、汽车、大飞机、压力容器和高压输电线等新兴工业领域，消费量将会大幅增长，几十万吨也可能不够用。但另一方面则是一些地方政府盲目跟风。
碳纤维产业的技术基础尚未奠定，产能自然难以转化为产量。目前国内技术水平高的碳纤维企业也有几家，但由于没有形成规模优势，同等质量产品的价格远高于国外。据了解，日本东丽T700级碳纤维的成本与国内T300级的成本相当。
西方国家将碳纤维视为战略物资，曾对中国禁售、禁运，根本不可能转让技术。上世纪80年代中国就曾从英国RK公司引进大丝束预氧化炉和炭化炉，结果两套设备均未能正常运转。实践证明，无论从政治角度还是商业角度，技术水平较高的碳纤维公司都不可能向中国转让技术或出售设备。然而，高性能纤维及复合材料市场的中心将进一步向亚洲转移，中国高性能碳纤维复合材料产业前景不可估量。
碳纤维列入新材料产业“十二五”发展规划
碳纤维已列入《新材料产业“十二五”发展规划》重大工程。中国碳纤维产业发展还处于初级阶段，把碳纤维列入重点工程，有助于激发政府和企业的投资热情，加快推进产业发展。如果预定目标能够全部实现，则中国碳纤维产业将成功起步。
应用极具潜力
碳纤维工程提出的目标是，到2015年，碳纤维产能达到1.2万吨，基本满足航空航天、风力发电、运输装备等需求。当前国内碳纤维应用除军工外，主要集中在热场保温、刹车片、体育休闲、建筑等领域。未来碳纤维用量增加部分将主要集中在风电叶片、高压输电缆芯和汽车领域。
据介绍，55米以上风电叶片的关键部位必须要用碳纤维复合材料，特别是海上风力发电全部是大功率的，粗略估计，一组叶片需要用碳纤维复合材料几百到1200千克。
高压输电方面碳纤维主要是用来生产碳纤维复合材料缆芯，可有效减少输电线下垂产生涡流导致的电流损耗，降低塔架密度和强度，目前已进行了几万千米的挂网实验，效果非常不错，碳纤维用量约70千克/千米。据悉，未来中国每年新增输电线路100万千米，老化改造线路约20万千米，并且这个数字还在不断增加。
在汽车方面，汽车工业正面临资源和环境的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗是汽车工业发展的主题，而碳纤维复材是理想的以塑代钢材料。
设备攻关势在必行
由于技术不过关，中国很多碳纤维装置出现“趴窝”现象。碳纤维制备过程分为聚合、纺丝、预氧化、炭化和表面处理等多道工序，无论是工艺技术还是设备开发以及配套材料，只要有一项跟不上研制和产业化进程，就会影响到碳纤维产业。
目前，只有少数企业实现了全流程的国产化，但质量尚待考察，大部分碳纤维装置的关键设备还是依赖进口。但像预氧化炉、碳化炉等关键设备，因为国外始终对我们“设卡”，依靠进口则随时面临“禁运”风险。跟进口设备相比，国产设备在温度、张力等精度控制方面还有一定差距，导致产品不匀率上升，生产效率也难以提高。所以，碳纤维工程中将这些列入重要研发内容非常有必要，这些设备的攻关势在必行。
此外，碳纤维制备用油剂和上浆剂等关键原料的开发也同样必要，这些原料目前在中国还处于研发阶段，不能满足生产需求。
降低成本的两条途径
对于碳纤维工程中提出的低成本化和高端创新示范的目标，低成本是提升碳纤维竞争力和应用推广的关键。目前12K的碳纤维产品，国外产品的售价在150~220元/千克，国内以此价格出售难有利润可言。
对此有两条降低成本的建议，一是提高生产效率，同等规模的生产线，中国每小时产量仅为国外的1/3。同样的投入，产出差别却很大，售价自然难降低。
二是原材料多元化。目前中国商业化的碳纤维生产原料几乎都是聚丙烯腈基（PAN），其原料丙烯腈属于危化产品，成本比较高。未来可以在沥青基、粘胶基和木质素基等方面加大开发，通过原料多元化来降低成本，目前已有一些企业涉足该领域。
此外，降低能耗也非常关键，目前生产1吨碳纤维耗电高达3万～4万千瓦时，国外的能耗数据尚不明确，但是这方面应该有潜力可挖。
产品开发着眼高端
碳纤维开发必须要着眼高端，日本已经开始淘汰T300，我们再在低端产品上耗费精力没有意义。而且碳纤维下游应用领域，很多工艺设备都是从国外引进，如风力叶片、电缆芯、建筑补强等，应用要求起点比较高，这也促使我们只能往高处走。
目前中国碳纤维生产企业大部分属于低水平重复建设，技术并不过关，大部分尚达不到T300水平，不能满足高技术产品要求，故销路不畅，每年还要进口约6000～7000吨。为避免重蹈覆辙，新兴产业发展需要在政府指导下有序进行。
发展建议
突破PAN原丝关键技术瓶颈
国内在制约碳纤维发展的诸多原因中，PAN原丝水平的落后是制约碳纤维生产水平提高的瓶颈，不仅影响碳纤维的质量，而且影响其产量、生产成本和市场竞争能力。
当前亟待掌握高性能PAN基原丝生产技术，抢占市场先机。在完善碳纤维生产技术的前提下，尽快在PAN基原丝制造工艺技术上取得突破，发展高质量的上游产品生产线，保证碳纤维生产稳定、产品优质，从而在关键技术上打破国外的封锁与垄断。
加快提升自主创新能力
目前中国碳纤维装置如纺丝设备、碳化设备基本引自意大利、美国、德国、日本、英国等先进国家，装备国产化方面差距较大，需尽快消化吸收已掌握的技术，有效控制碳纤维制备过程中的缺陷，突破国产碳纤维性能不稳定、离散度偏高的难题，使PAN基原丝和碳纤维的性能和稳定性得到大幅度的提高。
高性能纤维是国家材料科学发展的重要制高点，是国家重要的战略性基础材料，其技术突破与产业化应用对于推动社会发展有重要价值，不断提高自主创新的能力，有重点地突破碳纤维产业化发展制约“瓶颈”，提高国产化先进水平，缩小同发达国家的差距。
值得注意的是，碳纤维是一种高投入、高风险、高能耗的产业。国家对其扶持应主要集中于建立互通有无的系统化研究网络，要避免重复引进、重复研究。国家应重点扶持几个成功企业，大力协同，优化布局，整合资源，合作攻关，防止低水平重复建设和盲目发展，实现让更多企业少走弯路、节约成本的目标。
进一步深化产品结构调整
目前，中国碳纤维产品结构还比较单一，缺乏高性能的大丝束产品，因此必须加大产品结构调整，进一步开发T300 12K、24K及T800系列产品，形成T300 、T800 两个系列，1K、3K、6K、12K、24K及48K六种牌号产品，提升中国碳纤维产业横向发展的实力。因此，在部件制造方面，要适当购买国外先进设备，攻克关键设备国产化的难题；积极与下游单位合作，加强“产、学、研、用”紧密结合，建立相关机制，积极开发新工艺、新应用。
努力着眼于碳纤维的循环利用
碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品亟待处理。据日本三菱丽阳估计，目前全球废弃的碳纤维大约为2万吨。随着碳纤维生产能力的扩大及增强材料的大量使用，碳纤维的回收利用将会日益重要。
近年来，国外一些企业已经开始重视研发环境友好型可循环碳纤维。日本东丽、帝人和三菱已计划联手大规模生产此类碳纤维，以促进高强轻质材料的回收利用。中国也应借鉴国外的先进理念，将碳纤维的循环利用逐渐纳入研发范围之内。
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