当前,国际
复合材料产业呈现蓬勃发展态势。据估计,未来5年,先进
复合材料将以每年5%的增速发展,而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展,全球高性能
碳纤维需求量的年增幅可达10%,亚太地区将会有更高的增长率,即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。
全球PAN碳纤维产业现状
根据前躯体原料的不同,碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基、沥青基和粘胶基碳纤维等。
据预测,世界碳纤维需求每年将以13%的速度增长,PAN基碳纤维的全球需求量到2015年将突破75000吨,到2020年将增长到140000吨。
目前,国外高强、高强中模碳纤维的产业化制备技术成熟,规模化、自动化程度高,关键核心技术掌握在日本、美国等国手中。低成本技术已成为碳纤维及其复合材料发展的迫切需求和重要趋势。为了进一步推进行业的快速发展,国外各碳纤维生产商正开展碳纤维产品规模化、稳定化和低成本化生产技术方面的研究。
国内碳纤维行业发展现状
在国家科技和产业化示范计划支持下,近10年来我国碳纤维制备与应用技术,实现了从“无”到“有”的转变,出现了前所未有的产业化建设高潮,初步创建起国产碳纤维制备技术研发、工程实践和产业建设的较完整体系,产品质量不断提高,碳纤维及其复合材料技术发展速度明显加快,有效缓解了国防建设重大工程对国产高性能碳纤维的迫切需求,部分型号用碳纤维及其复合材料的国产化自主保障问题基本解决。
截至2014年底,我国已拥有碳纤维生产企业近40家,理论设计总产能达到1.96万吨,国内碳纤维产量从2007年的约200吨,增加到2014年的约2600吨,但产能释放能力弱的问题非常突出,2014年的碳纤维实际产量不足设计产能的20%。这是由于国际碳纤维行业巨头的蓄意压制,碳纤维售价一跌再跌,甚至跌至成本以下,我国碳纤维企业面临着生产越多亏损越多的局面,大部分企业只能减产甚至停产,生存状况不容乐观。
中复神鹰公司成立于2006年,由中建材联合投资公司、中国复合材料集团有限公司、连云港鹰游纺机有限责任公司和江苏奥神集团有限责任公司合资组建,是专业研究和生产碳纤维原丝、碳丝及其复合材料制品的企业。
中复神鹰成立以来,一直以科技创新、自主研发作为企业发展的重中之重,多年来,通过对技术的集成创新和优化升级,不断攻克工艺技术难关、突破关键技术瓶颈、自主研发关键生产装备,实现了关键生产装备的自行设计制造,同时探索出了千吨级湿法T300、干喷湿纺T700级碳纤维的规模化、稳定化生产技术,拥有多项国家发明专利及技术成果,工艺技术居国内领先水平。产品主要应用于高档体育用品、土木工程、压力容器、机械零部件等领域,并拓展了碳纤维在风力叶片、复合芯电缆、交通运输等工业领域的应用。
国内外碳纤维应用领域现状
1.航空航天领域
航空航天是国际碳纤维应用的传统市场,几十年来,航空航天领域的碳纤维复合材料用量稳步增长。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合材料、高强高韧碳纤维-环氧复合材料、耐高温碳纤维复合材料等系列产品,广泛应用于战略导弹、运载火箭、先进战机、卫星、飞机发动机导向叶片、机翼和涵道部件等。碳纤维已成为航空航天、尖端武器装备必不可少的战略基础材料。国外碳纤维复合材料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过机身总重的50%。
我国航空航天用碳纤维复合材料体系基本创建,先后发展出了多种 树脂基体,构建了碳纤维-酚醛烧蚀防热和碳纤维-环氧、碳纤维-双马结构承载两大复合材料系列,形成了较为完备的复合材料设计、制造、检测、应用一体化体系,为我国航空航天事业的跨越发展提供了重要支撑。
2.建筑工程领域
建筑工程一直都是通用级碳纤维应用的重点领域。美国和欧洲国家的部分老旧桥梁、古旧建筑都以碳纤维补强材料粘贴片材的形式应用。另外,桥梁用碳纤维斜拉索、高层建筑电梯用碳纤维拉索、碳纤维增强水泥、碳纤维网格增强混凝土等也已成为目前碳纤维在国外建筑工程领域应用的新形式。
我国拥有全球最大的土木建筑市场,碳纤维在加固道路、桥梁、楼房建筑结构领域的应用正呈现不断增长的的趋势。我国自上世纪90年代开始进行碳纤维复合材料在土木工程、建筑补强中的应用研究,目前已有数十个高校和科研院所在建筑补强用碳纤维复合材料的制备及应用关键技术研究领域开展了深入工作,并在产品生产、装备制造、材料评价及设计体系、应用技术等方面取得了大量成果。先后被用于人民大会堂、天安门城楼、北京工人体育场、京沈高速公路桥、北京地铁隧道、北京国贸立交桥、中石油输油管道等众多重大基础设施、公共设施和工业设施。
3.能源领域
随着风电叶片大型化的不断推进,碳纤维复合材料的应用也越来越多。国外至少有6家大型风电企业正在采用碳纤维复合材料或碳纤维/ 玻璃纤维混杂复合材料生产大型或特大型风机叶片。
国内碳纤维在风电叶片上的规模化应用尚处于尝试阶段,现阶段碳纤维的供应主要来源于国外公司,以碳纤维预浸料为主,供应渠道受限,是影响国产碳纤维规模化应用的一个主要原因,因此有必要继续开展国产碳纤维在大型风电叶片上的应用研究。
4.体育休闲领域
体育休闲领域是碳纤维复合材料的重要应用领域。碳纤维在该领域的应用主要集中在高尔夫球杆、钓鱼杆和球拍三个产品类型。近年来,自行车、曲棍球杆、滑雪杆等新兴产品的碳纤维用量也在不断增长。
我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材,目前,钓鱼竿、网球拍、鱼线轮、羽毛球拍、自行车架等产品也是碳纤维在我国的主要用途。
5.碳纤维复合芯导线领域
我国碳纤维复合芯导线整体技术水平与国外相当。目前,国内碳纤维复合芯及导线生产厂家接近20家(有供货业绩的有5家)。各主要生产厂家制备的碳纤维复合芯导线技术指标均能满足碳纤维复合芯架空导线技术要求并已通过试验验证,技术性能已达到国外同类型产品的技术水平。
6.车用碳纤维复合材料
在各国政府的大力支持下,国外各大碳纤维制造商纷纷与汽车巨头联手,发展汽车用碳纤维复合材料设计制造技术,已经形成“碳纤维、复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局,并突破了车用碳纤维复合材料零部件及车体的规模化、自动化制造技术,国外在碳纤维复合材料汽车轻量化产业方面已经初具规模。
我国碳纤维复合材料在汽车工业中年用量比例很小,应用较为成熟的技术大部分集中在非连续纤维复合材料成型工艺上,尚未形成研究、设计、开发、制造、装备、检测、应用评价与推广应用一条龙产业链,同时碳纤维复合材料部件及整车验证、装配技术、质量控制等方面与国外差距巨大,急需进行进一步技术攻关。
我国未来碳纤维行业攻关的主要目标
目前,我国碳纤维技术、设备、品种和性能等方面还处于起步阶段,与发达国家相比仍有较大差距。由于国外技术封锁、下游应用驱动力量薄弱、产品价格冲击等问题,制约了国产碳纤维的发展。因此,需要企业在夯实技术基础的同时,加大产业化关键技术攻关力度,实现降本增效、提升企业竞争力。
(一)攻关的总体目标:
1.通过技术突破,实现国产碳纤维从能用达到好用。2.突破国产碳纤维在高端领域应用的制备关键技术问题。3.创建有中国特色的碳纤维制备及应用产业链结构。4.通过能源、交通、建筑等领域的应用牵引,做大碳纤维产业。5.通过高端领域应用验证考核做好做强碳纤维质量,实现各个领域用碳纤维的完全自主保障。
(二)突破的关键技术(环节):
1.突破国产碳纤维的低成本制备技术。2.实现碳纤维制备技术从跟踪创新到原始创新的跨越。3.创建具有中国自主知识产权的碳纤维制备与应用技术体系,科学合理的区域发展和产业链结构。4.形成碳纤维制备技术与产品有序竞争。5.实现国产碳纤维品种系列化、工艺多元化、产能规模化。
(三)攻关的主要任务:
1.重点突破碳纤维的低成本制备技术,解决碳纤维生产过程中稳定性和离散性较差的问题。2.T300级、T700级产品满足应用需求。3.实现国产碳纤维品种系列化、产能规模化。
(四)预期成效:
1.培育3到5家碳纤维龙头企业。2.高强、高强中模、高模和高模高强碳纤维主要产品满足应用需求。3.国产化装备的设计制造和二次改造升级能力显著提升。4.国产碳纤维技术、产品性能与生产成本与国际先进水平相当,具备产业竞争力。
开展国产碳纤维及其复合材料技术攻关
1.积极开展产学研合作,与研究机构、应用单位共同开展多种形式碳纤维复合材料及其制品的联合开发。SYT49碳纤维新产品在风机叶片、碳纤维复合芯导线和复合材料客车车身等民用领域进行了卓有成效的应用合作实验,由中国复材牵头,中复神鹰分别与中复连众、中复碳芯已开展国产碳纤维在风机叶片和碳纤维复合芯导线领域的应用实验。
2.大力培育和开拓碳纤维产业下游市场,加强应用研究对国产碳纤维的牵引作用,加快行业发展的进程。以客户需求为导向,积极改进改良碳纤维生产工艺和上浆处理工艺,为客户提供碳纤维应用的一体化解决方案,形成稳定的客户群。
3.发挥品牌力量,承担社会责任。碳纤维是发展国防军工和国民经济的重要战略物资,其产品和生产技术长期被国外少数企业所垄断。近年来,我国碳纤维产业得到了快速发展,取得了阶段性产业化成果。如中复神鹰通过联合科研攻关和自主创新,开发的碳纤维工业化生产技术和装备,打破了日、美等国的垄断,平抑了国内价格,促进了中国碳纤维产业的健康发展。
对国内碳纤维发展的几点建议
1.大力支持低成本碳纤维制备技术及复合材料应用研究,促进碳纤维在汽车、风力叶片、航空等领域大规模使用。
2.为了提高国产碳纤维生产线的产能利用率,建议国家根据生产销售碳纤维的产量,对生产碳纤维厂家及应用碳纤维的用户进行奖励。
3.对重点碳纤维企业进行一定比例的流转税返还、增值税返还、贴息或无息贷款等优惠政策,减小企业的资金压力。
4.鼓励国内企业走出去,在出口审批、退税上给予一定支持。
我国碳纤维产业正处在高速发展的关键时期,在蓬勃发展的国际碳纤维产业大背景下,我国在重大工程、一般工业和新兴产业领域对高性能碳纤维产品也提出了迫切的需求。根据“十三五”我国碳纤维发展的总体目标,国内碳纤维企业应进一步明确自身的创新主体地位,面向国防军工、民用航空、人造卫星等航空航天高端装备制造业,建筑补强、海洋工程、石油勘探等传统产业升级领域,以及新能源汽车等战略新兴产业,分阶段逐步开展不同品系碳纤维产品的产业化关键技术攻关、成本质量控制、工业应用示范和重点领域应用评价,开发出符合我国实际应用需要的高性能、高稳定性、规模化、低成本生产技术和多品系碳纤维产品,真正实现我国碳纤维产业的快速健康发展。