中國(guó)科技：正成全球碳纖維“第三極”

　　小小的碳纖維，實(shí)際是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)中不可或缺的戰(zhàn)略性新型材料。一直以來(lái)，全球碳纖維市場(chǎng)由日美兩國(guó)企業(yè)壟斷。但隨著中國(guó)企業(yè)的后發(fā)追趕、自強(qiáng)進(jìn)擊，這一格局正在發(fā)生變化。中國(guó)儼然正成為全球碳纖維“第三極”。

　　日前，全球最大碳纖維企業(yè)——日本東麗社長(zhǎng)日覺(jué)昭廣在接受日媒采訪時(shí)表示，中國(guó)以國(guó)家層面推進(jìn)采用材料信息學(xué)手法，其技術(shù)進(jìn)步的確構(gòu)成威脅，但積累了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的日本企業(yè)能夠保持優(yōu)勢(shì)地位。

日本東麗社長(zhǎng)日覺(jué)昭廣

　　受益于政策推動(dòng)和產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，中國(guó)碳纖維企業(yè)近年來(lái)如雨后春筍般出現(xiàn)，數(shù)量已占全球近七成，同時(shí)整體產(chǎn)能已位居全球第三。那么，在這場(chǎng)新的跑馬圈地運(yùn)動(dòng)背后，中國(guó)的碳纖維技術(shù)及市場(chǎng)進(jìn)步了多少？日本的優(yōu)勢(shì)又還能保持多久？　　

　　在化工材料中，碳纖維可以稱作是最重要的無(wú)機(jī)高性能纖維碳。它是含碳量大于95%的纖維材料，由聚丙烯腈、黏膠纖維、瀝青纖維等有機(jī)纖維在高溫下碳化制得，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是碳的同素異形體。

　　按照力學(xué)性能分類，碳纖維可分為標(biāo)準(zhǔn)模量(230GPa左右)、中模量(280-350GPa)和高模量(>350GPa)三類；按照纖維絲束大小分類，可分為小絲束(或標(biāo)準(zhǔn)絲束，≤24K)和大絲束(>24K)兩大類；按不同的前驅(qū)體分類，聚丙烯腈基碳纖維占碳纖維總量的92%，瀝青基碳纖維占7%，黏膠基碳纖維只占1%。

　　在特性方面，碳纖維具有耐腐蝕、抗氧化、高強(qiáng)度、耐高溫、不生銹等優(yōu)良性質(zhì)。但碳纖維由于橫向耐沖力差、耐磨性差，多作為增強(qiáng)材料加入到樹(shù)脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復(fù)合材料，其中樹(shù)脂型復(fù)合材料生產(chǎn)最多，使用最為廣泛。

　　10微米直徑的碳纖維單絲，背后是人類頭發(fā)。

　　通常而言，碳纖維的直徑在10微米左右，7-8根排列在一起才有一根頭發(fā)絲那樣粗。其拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到4800兆帕，也就是鋼的7至9倍，而比重僅有鋼的四分之一。在幾千度高溫下，別的纖維已化為灰燼，它卻毫無(wú)變化。

　　實(shí)際上，看似不起眼的碳纖維，在新材料界是一匹“黑馬”，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，其首個(gè)市場(chǎng)化應(yīng)用是1972年市售的碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂釣魚(yú)竿。此后，碳纖維應(yīng)用快速向高端化的工業(yè)制造及尖端科技領(lǐng)域發(fā)展。其中，小絲束碳纖維主要應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天、衛(wèi)星導(dǎo)彈以及休閑體育用品領(lǐng)域，而大絲束碳纖維主要應(yīng)用于工業(yè)及民用領(lǐng)域等。

　　目前，碳纖維在導(dǎo)彈、空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭，航空器，先進(jìn)艦船，軌道交通車輛，電動(dòng)汽車，卡車，風(fēng)電葉片，燃料電池，電力電纜，壓力容器，鈾濃縮超高速離心機(jī)，特種管筒，公共基礎(chǔ)設(shè)施，醫(yī)療和工業(yè)設(shè)備，體育休閑產(chǎn)品，以及時(shí)尚生活用具等諸多領(lǐng)域，都有著實(shí)際和潛在的應(yīng)用。

　　由此，雖然外表看似“軟妹子”，碳纖維其實(shí)是外柔內(nèi)剛的“真漢子”，在國(guó)防軍工和民用方面等多方面都是重要材料或者戰(zhàn)略物資。而由于其材料本性、產(chǎn)業(yè)技術(shù)復(fù)雜性、應(yīng)用領(lǐng)域重要性和市場(chǎng)規(guī)模性等因素影響，碳纖維被稱為“黑色黃金”或“材料之王”。

　　在具體商用方面，《2018全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示，2018年，全球碳纖維的銷售金額為25.71億美元，比2017年23.44億美元增長(zhǎng)了9.7%。其中，航空航天以12.6億美元占比接近一半。第二至五位依次是體育休閑、風(fēng)電葉片、汽車和混配模成型需求應(yīng)用。

　　全球“三雄”格局正形成

　　多年來(lái)，日美等企業(yè)壟斷全球碳纖維市場(chǎng)，但中國(guó)正在快速追趕。上述報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2018年全球碳纖維理論產(chǎn)能15.48萬(wàn)噸，其中位列前三的美國(guó)、中國(guó)（含臺(tái)灣）、日本碳纖維理論產(chǎn)能分別為3.73萬(wàn)噸、3.56萬(wàn)噸、2.68萬(wàn)噸，三國(guó)累計(jì)占全球產(chǎn)能的66%。

　　其中，日本成為碳纖維強(qiáng)國(guó)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的積淀。1959年，日本發(fā)明了用聚丙烯腈為原絲加張力牽伸制造碳纖維的方法。東麗公司于1971年將碳纖維商業(yè)化，由于優(yōu)良的特性，被運(yùn)用于民用航空和軍事用途。但從成立到盈利，東麗經(jīng)歷近50年的技術(shù)改良?xì)v程。

　　2003年，東麗獲得美國(guó)波音公司為期50年的訂單，一舉奠定其在碳纖維領(lǐng)域的“霸主”地位。到2017年，東麗在小絲束碳纖維領(lǐng)域占據(jù)全球26%的市場(chǎng)份額。如果加上日本東邦和三菱，三者合計(jì)占全球小絲束碳纖維名義產(chǎn)能的 70%以上。值得一提，碳纖維行業(yè)T700、T800、T1000等一系列的稱謂，其實(shí)是東麗公司碳纖維產(chǎn)品的型號(hào)，但目前已成為碳纖維的強(qiáng)度標(biāo)桿。

　　與此同時(shí)，美國(guó)碳纖維發(fā)展同樣起源于上世紀(jì)50年代，并取得初步成果。70年代的石油危機(jī)之后，在政府的主推支持下，美國(guó)碳纖維企業(yè)主要在大絲束碳纖維領(lǐng)域的研究和應(yīng)用取得突破。如赫氏公司在大絲束碳纖維領(lǐng)域2017年占全球58%，產(chǎn)品應(yīng)用在F-22、F-35、空客A350等航空、軍工裝備。

　　通常而言，小絲束碳纖維較大絲束工藝水平、制備成本、運(yùn)營(yíng)周期等方面要求更高。據(jù)悉，東麗每年將210億日元（約合人民幣13.3億元）的研發(fā)資金用于研究力爭(zhēng)在10多年以后實(shí)用化的材料。不過(guò)，這是重視股東、追求短期收益的歐美式資本主義曾難以接受的。目前，美國(guó)碳纖維企業(yè)相對(duì)主要聚焦在大絲束碳纖維領(lǐng)域。

　　中國(guó)碳纖維研究始于60年代初，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)際環(huán)境惡劣，且西方對(duì)中國(guó)進(jìn)行高度技術(shù)封鎖，加上國(guó)內(nèi)資源緊張，碳纖維的相關(guān)研究工作進(jìn)展相對(duì)有限。直到1975年，在主持國(guó)防科技、站長(zhǎng)資源平臺(tái)裝備和國(guó)防工業(yè)工作的張愛(ài)萍將軍部署下，20多家研究所和企業(yè)聯(lián)合起來(lái)共同攻關(guān)，終于解決了有無(wú)的問(wèn)題。

　　不過(guò)，2000年前中國(guó)碳纖維研發(fā)仍處于低谷。直到2001年1月，在兩院院士師昌緒寫作《關(guān)于加速開(kāi)發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告》推動(dòng)下，科技部于次年設(shè)立國(guó)家863計(jì)劃的碳纖維關(guān)鍵技術(shù)304專項(xiàng)。這才再次點(diǎn)燃了中國(guó)碳纖維的發(fā)展之炬。尤其自2007年起，碳纖維工廠如雨后春筍般拔地而起。這推動(dòng)了中國(guó)碳纖維市場(chǎng)迅速壯大，并躋身世界前三。

　　目前，從企業(yè)數(shù)量來(lái)說(shuō)，中國(guó)碳纖維企業(yè)的數(shù)量占到全球的67%。在政策推動(dòng)及國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展情況下，大量涌現(xiàn)的中國(guó)企業(yè)正在升級(jí)技術(shù)攪動(dòng)原來(lái)的全球碳纖維市場(chǎng)格局，對(duì)日本、美國(guó)等國(guó)相關(guān)企業(yè)構(gòu)成了沖擊。想必這也是日覺(jué)昭廣所述“中國(guó)技術(shù)進(jìn)步的確構(gòu)成威脅”的重要原因。

　　中國(guó)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

　　盡管中國(guó)在碳纖維理論產(chǎn)能上已位列世界前三甲，但這是數(shù)十家企業(yè)的集體成果。相對(duì)數(shù)量?jī)H有幾家但在全球處于壟斷地位的日美企業(yè)，中國(guó)企業(yè)依然處于“成長(zhǎng)”階段，數(shù)量多而不強(qiáng)。此外，高端應(yīng)用、技術(shù)水平、生產(chǎn)要素、規(guī)格種類以及產(chǎn)能利用率不足等，依然是國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)面臨的共同問(wèn)題。

　　比如，在2018年中國(guó)大陸碳纖維的2.68萬(wàn)噸理論產(chǎn)能中，據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)際產(chǎn)量約9000噸，銷量/理論產(chǎn)能比例為33.5%，較上一年的28.5%有不小提升，但仍低于國(guó)際平均水平的57.3%。究其原因，這主要是由于我國(guó)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)牽引力水平有限。但可喜的是，這些狀況正在改善并取得階段性成果。

　　首先在技術(shù)方面，2015年7月，中復(fù)神鷹“千噸級(jí)高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型干噴濕紡高性能碳纖維關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”通過(guò)了國(guó)家技術(shù)成果鑒定。2017年9月，其千噸級(jí)SYT55（T800級(jí)）碳纖維項(xiàng)目正式啟動(dòng)。至此，中國(guó)成為繼日美之后，全球第3個(gè)擁有千噸T800級(jí)碳纖維生產(chǎn)線的國(guó)家。

　　中復(fù)神鷹公司T800碳纖維原絲生產(chǎn)線 圖/新華網(wǎng)

　　此外，2018年3月，中復(fù)神鷹自主研發(fā)的第一條百噸級(jí)T1000碳纖維生產(chǎn)線在江蘇連云港開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)現(xiàn)投產(chǎn)且運(yùn)行平穩(wěn)，標(biāo)志著我國(guó)高性能碳纖維再上一個(gè)新臺(tái)階。這距離日本大規(guī)模銷售的碳纖維最高級(jí)別T1100僅差一個(gè)代際。值得注意，目前我國(guó)在T1100級(jí)（高強(qiáng)中模）以及M55J級(jí)（高強(qiáng)高模）碳纖維制備項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)已取得突破。

　　其次在商用方面，可以看出，美日等國(guó)家碳纖維主要在航空航天、國(guó)防等工業(yè)方面應(yīng)用，而我國(guó)碳纖維下游消費(fèi)領(lǐng)域還是以文體休閑產(chǎn)品和工業(yè)應(yīng)用為主。例如2017年我國(guó)碳纖維消費(fèi)量約2.35萬(wàn)噸，其中體育用品占消費(fèi)比例51%，而航空航天占比僅3.8%，差異明顯。

　　不過(guò)，我國(guó)碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域每年正在增加，并朝著國(guó)防、軍工、航天、航空、新能源汽車等領(lǐng)域發(fā)展。由于國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的逐步問(wèn)世及軍用飛機(jī)、 運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈和衛(wèi)星的研發(fā)，碳纖維復(fù)合材料在這些領(lǐng)域的應(yīng)用也將愈加廣泛。其中，已投產(chǎn)的C919機(jī)身中碳纖維復(fù)合材料用量約為12%，正在研發(fā)的C929這一比例有望超過(guò)50%。

　　數(shù)據(jù)顯示，2015（13.4%），2016（16.5%），2017（20%），2018（32%），當(dāng)前中國(guó)碳纖維市場(chǎng)正呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)。2018年，中國(guó)碳纖維的總需求為3.1萬(wàn)噸，進(jìn)口量2.2萬(wàn)噸，占比71%。其中風(fēng)電葉片的進(jìn)口量同比增加161%達(dá)8000噸。如果去除該品種的貢獻(xiàn)率，那么32%的增長(zhǎng)率將回落到12.3%。這也說(shuō)明“?！迸c“機(jī)”時(shí)常并行。

　　當(dāng)前，高性能碳纖維在中國(guó)經(jīng)濟(jì)及高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展推動(dòng)下，顯現(xiàn)出“戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)”的生機(jī)，未來(lái)仍將保持較高的復(fù)合增長(zhǎng)率。以往，西方國(guó)家在壟斷全球市場(chǎng)同時(shí)對(duì)我國(guó)高性能碳纖維實(shí)行嚴(yán)格技術(shù)封鎖，但中國(guó)企業(yè)在自力更生、激烈競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中正在不斷取得突破。有業(yè)內(nèi)人士樂(lè)觀指出，未來(lái)5到10年行業(yè)格局或?qū)⒅厮堋６@或許也是日本東麗等能保持優(yōu)勢(shì)的最后期限。