馬祥林 張黎明 王俊峰 張海濤 王力

碳纖維是一種耐高溫纖維，它的密度不到鋼的1/4，拉伸強度大于3.50GPa，是鋼的7～9倍，拉伸彈性模量為230～430GPa。碳纖維是具有高強高模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、耐濕、密度小、蠕變小、導電傳熱、熱膨脹系數(shù)低等一系列優(yōu)異性能的新型纖維。

碳纖維以聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維為原料生產纖維，在惰性氣體中經(jīng)氧化、碳化（300～1 600℃）制得碳纖維，其碳含量在92%以上。因聚丙烯腈基碳纖維（以下簡稱“PAN基碳纖維”）技術成熟、工藝簡單、產品性能指標好成為碳纖維行業(yè)的主流，占全球碳纖維總產量的90%。目前，碳纖維除了應用于航空、航天等高端領域外，也被應用于風力發(fā)電葉片、文體用品、碳纖維復合芯電纜、油田鉆探汽車、建筑補強等領域。

一、國內外碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀1.國外碳纖維產能

全球大型碳纖維生產企業(yè)有13個，以PAN基纖維為原料生產碳纖維的企業(yè)有9個，包括東麗（Toray）、東邦（Toho）和三菱（Mitsubishi）、卓爾泰克（Zoltek）、赫氏（Hexcel）、蘇泰克（Cytec）和阿爾迪拉（Aldila），西格里（SGL）以及臺塑（Formosa）。

PAN基碳纖維產能中，以東麗為首3家日本企業(yè)仍占主導地位，約占全球市場份額的80%，產能達40 400t。美國PAN基碳纖維前3大廠商Zoltek、Hexcel及Cytec總產能達到20 750t。全球碳纖維需求量以年均15%～16%的高速度增長，預計到2018年，全球碳纖維的需求量將超過10萬t。

目前，生產小絲束碳纖維最主要的公司是東麗、東邦和三菱，3家碳纖維產能占全球46%，美國占28%，歐洲占19%，其他國家占7%；歐洲空客和美國波音飛機制造商約占小絲束碳纖維消費市場的1/5。2008-2012年全球碳纖維的產能和產量見表1。

2.我國碳纖維產能

從20世紀60年代后期，我國開始研制碳纖維及原絲，但發(fā)展緩慢。我國現(xiàn)已研制出與日本東麗T300水平相當?shù)奶祭w維產品，但無論產量還是品質遠不能滿足國內需求。目前，國內碳纖維主要生產企業(yè)產能約8.542kt/a，詳見表2。

據(jù)報道，除了呼和浩特市浩源碳纖維有限公司建設的碳纖維產業(yè)基地外，中石油、中鋼吉炭、中石化、中國化工、金發(fā)科技、中國建材、博云新材、威海拓展、中復神鷹碳纖維有限責任公司（以下簡稱“中復神鷹”）、河南能源集團、浙江泰先等企業(yè)正在新建或者計劃新建碳纖維及其復合材料產能。目前，我國在碳纖維及其復合材料制品方面的投資總額已超過90億元。

二、我國碳纖維技術發(fā)展情況

因航空航天等國防領域的需要，碳纖維應用于高端領域正式列入國家科技攻關計劃，全面啟動了碳纖維產品的研發(fā)和生產，但產業(yè)化發(fā)展步履維艱。為落實《新材料產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，加快碳纖維及復合材料產業(yè)的發(fā)展，推動傳統(tǒng)材料的升級換代，滿足經(jīng)濟和工業(yè)發(fā)展的需要，2013年工業(yè)和信息化部發(fā)布了《加快推進碳纖維行業(yè)發(fā)展行動計劃》（以下簡稱“《計劃》”），旨在著力突破關鍵共性技術和裝備，加強現(xiàn)有生產工藝裝置的技術改造，培育碳纖維及其復合材料下游市場，推進聯(lián)合重組，發(fā)展高性能碳纖維產品，實現(xiàn)高質量和低成本穩(wěn)定生產，促進上下游協(xié)調發(fā)展，不斷提高碳纖維產業(yè)集群，構建技術先進、上下游協(xié)調的碳纖維產業(yè)體系。

1.產業(yè)化新進展

2011年以來，我國多家企業(yè)可穩(wěn)定生產T700級軍用碳纖維產品，中復神鷹的T700生產線是全球第3家采用干噴濕紡工藝體系的生產線。2012年，我國建設了首條T800級碳纖維生產線，并實現(xiàn)了穩(wěn)定批量生產。

目前，我國已全面啟動千噸級T800碳纖維生產線的建設工作，江蘇航科復合材料科技有限公司（以下簡稱“江蘇航科”）、中簡科技發(fā)展有限公司（以下簡稱“常州中簡”）、中國科學院寧波材料技術與工程研究所（以下簡稱“寧波材料所”）、太原鋼鐵集團等4家企業(yè)已著手T800碳纖維產業(yè)化。目前，我國高端T1000的研發(fā)取得突破，預計到2020年，我國將建成千噸級T1000碳纖維生產線和百噸級MJ系列碳纖維生產線，并可以開展T1200和M70J等更高性能纖維以及專用復合材料的研制及產業(yè)化工作，并滿足戰(zhàn)略性新興產業(yè)和國防軍工的需求。

（1）藍星威邦碳纖維項目

2012年11月22日，藍星威邦碳纖維項目落戶山東文登。項目由北京藍星精細化工有限公司與淄博浩霖集團合作，一期投資10億元，北京藍星公司提供全套技術支撐，2013年投入試生產，項目全部達產后年可生產碳纖維布50萬m2，碳纖維材料230t。

（2）河北益健碳纖維科技有限公司

2012年第4季度，河北邢臺威縣年產20萬套碳纖維系列產品項目簽約。該項目總投資3.16億元，由河北益健碳纖維科技有限公司投資建設，項目建成后可生產產品20萬套。

（3）江蘇航科

江蘇航科成立于2010年2月，是由中國科學院西安光學精密機械研究所與鎮(zhèn)江新區(qū)高新技術產業(yè)投資有限公司共同合作建立，投入2.5億元，2012年6月建成設計產能25t/a的T800碳纖維生產線，實現(xiàn)了穩(wěn)定批量生產，實際產能1t/a。

該公司T800碳纖維產品的抗拉伸強度、抗拉伸模量和抗斷裂伸長率3項主要性能指標以及線密度、導熱性及其它性能，跟日本東麗集團的T800產品相同。

2014年2月，江蘇航科復合材料科技有限公司研發(fā)了T1000碳纖維，經(jīng)北京航空航天大學高性碳纖維檢測分析中心和北京化工大學碳纖維及復合材料研究所等單位測試，纖維性能達到標準要求。

（4）寧波材料研究所

2010年10月，寧波材料所依托高強中模碳纖維技術，與寧波化工、鎮(zhèn)海石化、寧波康興電纜共同設立浙江泰先新材料公司。2012年建成了100t/a的碳纖維生產線，產品規(guī)格為6K、12K、24K（其中以12K為主）高強中模碳纖維，已進入產品調試階段。

（5）太原鋼鐵集團

太原鋼鐵集團與中科院山西煤化所的合作共同建設高端碳纖維項目，開發(fā)高端碳纖維新材料。該項目投資6億元，于2013年10月竣工，形成每年T800級碳纖維25t、M55J石墨纖維5t的產能。2014年1月項目進入試生產階段。

（6）常州中簡

2008年4月由常州市政府與中國科學院山西煤炭化學研究所合作，成立常州中簡，建成了年產300t級T700級高性能碳纖維生產線，其生產的T700級碳纖維已經(jīng)處于我國航空領域穩(wěn)定供貨階段，同時，T800級碳纖維產品也突破工程化技術，達到穩(wěn)定量產。2012年6月5日，經(jīng)國家科技部專家組鑒定，常州中簡T800碳纖維各項參數(shù)已達到日本東麗T800的水平。

（7）中復神鷹

中國建材、連云港鷹游紡機公司與江蘇奧神集團合資成立了中復神鷹碳纖維有限公司，其碳化生產線2007年5月投產，碳纖維年產量在20t。2007年10月新建了2 500t/a的聚丙烯腈基碳纖維原絲生產線和1 000t/a的碳化生產線。中復神鷹從2009年開始攻關T700碳纖維項目，與該項目同步開發(fā)的ST-750碳纖維，經(jīng)測試已接近T800級碳纖維的技術指標。

目前，我國已擁有從20～5 000t/a不同產能的PAN基碳纖維企業(yè)33家，設計總產能約21500t/a，但由于國外產品低價向中國市場傾銷，致使行業(yè)全面虧損，只有幾家供應高端的企業(yè)盈利；行業(yè)總產量則直線上升，2012年約2 400t，2013年已突破3 000t。

2.存在的問題

在國家領導人的關懷下，近年來我國的碳纖維研發(fā)和產業(yè)化取得了突破性進展，主要表現(xiàn)在：①實現(xiàn)了T300級產業(yè)化和穩(wěn)定生產，高端品應用不再受制于人；②建成了千噸級碳纖維生產線，進入了量產階段；③T700級軍用碳纖維產品可穩(wěn)定生產，建設了幾條T800級碳纖維生產線，并實現(xiàn)了穩(wěn)定批量生產；④高端T1000的研發(fā)取得突破，預計到2020年，我國將建成千噸級T1000碳纖維生產線和百噸級MJ系列碳纖維生產線；⑤正在向T1100、M70級的產品研發(fā)進軍，不久可望有成。

但我國碳纖維行業(yè)的發(fā)展還存在著許多問題，如：產品性能不高、質量不穩(wěn)定、成本高、品種單一，情況亟待改進。

（1）缺乏核心技術，生產成本高

盡管我國已實現(xiàn)了T300等級碳纖維的工業(yè)化生產，但是與國外的技術水平還存在一定的差距。碳纖維的質量、技術及生產規(guī)模都與國外差距大，尤其我國碳纖維缺乏核心的產業(yè)化技術，目前沒有完全掌握碳纖維生產的關鍵技術。

針對于工程化技術方面，由于在此方面存在大量亟待解決的問題，造成了我國碳纖維單線規(guī)模小。目前，國外主要碳纖維的單線產能達1 500t/a，最大超過2 000t/a，而我國國產設備單線產能僅為100～400t/a。單線規(guī)模小也導致了產品生產成本的提高。據(jù)計算，年產500t的生產線成本約為15.9萬元/t，年產l 500t的生產線成本約為11.7萬元/t，與前者相比，后者產品成本降低了27%。

由于技術方面原因，我國許多碳纖維生產線出現(xiàn)裝置不配套等問題，進而造成產能不能發(fā)揮的現(xiàn)象。碳纖維制備過程不管是工藝技術，還是設備開發(fā)以及配套材料，只要與研制和產業(yè)化進程不一致，必將影響到碳纖維的發(fā)展。因此，從產品研發(fā)到產業(yè)化難度大，碳纖維要實現(xiàn)真正的國產化過程漫長。

（2）產品質量有待提高

多數(shù)碳纖維企業(yè)存在生產規(guī)模小，技術設備落后，有產能沒有產量，有產量產品質量不高，實際產量不足2kt。而國內市場對碳纖維的需求量每年都以15%的速度增長，90%以上碳纖維的需求量依賴進口。

我國T300級別碳纖維已實現(xiàn)了國產化，但存在纖維毛絲多、脆性大等問題，歸根結底由于國產PAN原絲在生產過程中采用腈綸原液雜質含量高，導致纖維性能不穩(wěn)定，離散系數(shù)（CV值）大；更高等級的產品處于試驗階段，難以滿足國內高端需求。

（3）關鍵設備制造技術的缺乏

生產碳纖維需要碳化爐專用設備，碳化爐是高溫技術和高溫設備的集成，使用溫度一般在300～1 600℃。由于國外對設備生產技術的壟斷，只有較小的國產化碳化爐設備，寬口徑碳化裝備碳纖維生產設備對中國實行封鎖，國內碳纖維生產企業(yè)很難規(guī)?；瑱C械設備占成本比例大，企業(yè)成本高，影響碳纖維企業(yè)的生存和國際競爭。

（4）PAN原絲質量問題

PAN原絲的生產包括聚丙烯腈的化工合成和聚丙烯腈纖維的紡絲2大工藝，過程工序很多，設備要求高，影響因素也很多。碳纖維的性能好壞關鍵在于原絲的質量，原絲的內部缺陷在炭化后幾乎形狀不變地“遺傳”到碳纖維中。

對于高質量的原絲，原絲利用率是2.1，即2.1kg可以生產1.0kg碳纖維；質量差的原絲，原絲利用率增加至2.5，增加了生產成本。國外碳纖維公司以特種PAN原絲為原料，降低了生產成本，提高了產品的核心競爭力。

碳纖維原絲的生產關鍵點是丙烯腈聚合工藝、丙烯腈與二聚體及引發(fā)劑的配比、原絲噴絲工藝等方面。在制備過程中，共聚單體的選擇、聚合體的相對分子質量、黏度、凝固成形條件、纖維致密化、牽伸倍率、上油工藝等關鍵技術制約了國產碳纖維的發(fā)展。

（5）生產成本高

在碳纖維生產過程中，盡管規(guī)模小，也建設齊全的公用工程和生產設備，因此規(guī)模效益在碳纖維生產過程中比較突出。《計劃》要求，噸聚丙烯腈原絲消耗丙烯腈小于1.1t，噸碳纖維消耗原小于2.1t。

目前，丙烯腈價格14 500元/t，二甲基亞砜價格12 000元/t，按照《計劃》要求噸原絲消耗丙烯腈1.1t，需要二甲基亞砜溶劑5.5t，噸原絲直接成本8.195萬元/t。按照噸碳絲消耗2.1t原絲計算，噸碳絲成本直接成本17.2095萬元/t。當前，國產12K碳纖維市場售價11.00萬元/t，日本東麗碳纖維13.0萬元/t，土耳其碳纖維12.0萬元/t。PAN基碳纖維生產成本包括PAN原絲生產成本和碳纖維生產成本2部分，噸碳絲直接成本達到17.2095萬元/t，再將固定資產折舊和流動成本計算在內，噸碳絲成本價約達20萬元/t，如果按照國產碳纖維進行銷售，國產碳纖維面臨全面虧損。

三、建議

1.建立良好的發(fā)展環(huán)境

《計劃》指出，通過建立寬松的外部環(huán)境，培育碳纖維骨干企業(yè)，到2020年5家生產集中度提高至70%以上，實現(xiàn)合理的資源配置，提高碳纖維產業(yè)鏈的競爭優(yōu)勢。

重點扶植有核心技術、自主創(chuàng)新能力的上下游產業(yè)鏈結合的重點企業(yè)，形成相對比較集中的幾家企業(yè)；設立專項資金持續(xù)支持碳纖維產業(yè)鏈發(fā)展，持續(xù)對碳纖維發(fā)展加以支持；建議考慮設立碳纖維產業(yè)發(fā)展基金，變政府撥款、貼息等為股權，有利于增加國家的話語權；面臨復雜的碳纖維市場、技術、產業(yè)鏈等發(fā)展環(huán)境，及時解決碳纖維產業(yè)發(fā)展遇到的實際問題，并促進碳纖維等戰(zhàn)略產業(yè)良性發(fā)展。

2.加大技術攻關力度

企業(yè)通過技術引進與自主創(chuàng)新相結合，盡快實現(xiàn)生產的規(guī)?；?，在實踐中鍛煉人才，不斷提升技術水平，進一步掌握核心技術。在工藝技術上，除了解決PAN原絲質量問題，同時加強關鍵生產設備及表面處理工藝等技術的開發(fā)。在掌握碳纖維生產技術的前提下，提產、提質、增效。

3.強化應用研究，擴大應用領域

國內碳纖維產品無論從規(guī)格還是品種方面，均不能適應市場需求，其應用研究和市場開發(fā)基本空白，而且碳纖維企業(yè)全部集中在小絲束產品的生產，沒有大絲束碳纖維的生產，嚴重制約了碳纖維的最終品種和應用，無法適應快速增長的市場需求。

目前，國內碳纖維應用最廣泛的領域為體育休閑，占79%，而新興工業(yè)碳纖維的用量僅占18%，美國和歐洲分別為35%和66%，遠低于世界水平。因此，應進一步開拓國內碳纖維市場，尤其是在飛機和汽車等高端領域的新興領域應用研究。

4.實現(xiàn)生產規(guī)?；档蜕a成本

目前，制約碳纖維行業(yè)發(fā)展的影響因素主要是生產成本，在確保產品質量的前提下，降低生產成本。研究機構從新型節(jié)能技術和生產裝置開發(fā)著手，降低水、電和原輔料的消耗；碳纖維生產企業(yè)利用內部技術人員，通過技術改造，實現(xiàn)產品質量提高的同時，降低生產成本，推動碳纖維產業(yè)可持續(xù)發(fā)展

四、結語

隨著國內外市場需求的增加，特別是高端領域和民用工業(yè)等領域需求的快速增長，我國應加快研究、生產步伐，抓住發(fā)展機遇，從技術和設備等方面取得突破，穩(wěn)定原絲技術以及碳纖維產量，建立大規(guī)模的碳纖維產業(yè)集群，促進碳纖維產品的低成本化，盡快實現(xiàn)和提高我國碳纖維國產化水平。