市场投资过热 产业羽翼未丰
——我国碳纤维发展面临问题重重
□ 石油和化学工业规划院 史献平
碳纤维作为一种具有多种优异性能的化工新材料近年来正越来越多地受到重视，在经历了2008年世界经济危机后，产需又有所回升。特别是我国的碳纤维工业，近一二年发展迅猛，有过热倾向。同时，由于建设速度过快，技术水平不匹配，加之国外竞争对手打压，多数已建成的企业面临一定困难，如成本过高、缺乏高端品种等。这些问题如不很好解决，将对我国碳纤维工业的发展造成极大的阻碍。
为了满足国防工业的需求，我国在上世纪六七十年代就已开始发展碳纤维，目前已有多家企业建成了工业化生产装置，生产出了T300级碳纤维，满足了航天航空应用急需。T700碳级纤维工程化制备技术面临突破；T800碳级纤维突破了实验室制备技术，正在开展工程化制备技术研究。T1000、M55J级碳纤维已开始实验室原理性制备研究。2011年我国碳纤维生产企业20余家，生产能力大约10000吨，产量约1000吨，消费量为8500吨，其中文体休闲消费约占80%；工业用品约占18%；航空、航天及军工占2%。最大的生产企业为中复神鹰碳纤维有限责任公司，其原丝产能为5500吨，碳化能力大约为2200吨。我国进入碳纤维行业较早的生产单位，目前大部分也都为骨干企业，一般都是国家相关部门科研项目支持过的单位，且多为产学研的联合体。
问题解析
1发展体制不合理，形不成合力
我国碳纤维的开发体制基本沿袭了科研单位开发，成果转让到生产企业进行工业化生产的计划经济传统模式，只是近年来根据国家的要求，成果转让和接受单位组成了产学研联合体，在研发过程中结合的更加紧密而已，在经济利益方面还不是一个整体，体制方面也没有隶属关系。纵观国外碳纤维工业发展历程，研发主体均为企业，在发展过程中也会借助专业研究单位的力量，但关系一般都为雇佣关系，企业为雇主，研究单位为企业提供服务，成果也为企业所有和所用。这样的体制保证了发展目标的高度统一、利益的高度一致和研发成果的高度可控性，避免了技术花落多家、产业集中度低的现象。
2开发单位过多，没有形成合力
碳纤维虽然属于战略性新兴产业，但其规模毕竟有限，无论在化工还是在纺织行业中都属于小行业。但在管理、研发和生产领域我国都有多家单位参与其中。研发单位有北京化工大学、山东大学、东华大学、吉林大学、长春工业大学、中科院煤化所、中科院化学所、长春应化所等。上述大多数研发单位虽然彼此交流不多，但每家却同多家生产企业合作，加之非正规渠道合作，成就了数十家碳纤维生产企业。众多碳纤维开发单位都想从国家相关部门取得支持，加之管理部门也是多头，造成经费分散且不足，不能形成重点突破。
3产业仍处于培育阶段
我国目前虽然建成了一批位数不少的碳纤维生产企业，但同发达国家的生产企业相比，产品成本过高，规模也不具备竞争力。有的企业原丝和碳化能力不配套，一批企业甚至没有原丝生产能力。高端碳纤维基本处于空白，目前国内只有相当于或者次于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。产品牌号、规格单一，产品质量在高端应用领域还不能满足用户端需求。与应用相关的上浆剂目前仅有接近于东丽公司4号上浆剂的品种，种类单一，影响碳纤维及其复合材料的性能。主要生产设备大部分靠进口，国内设备性能还不能满足碳纤维生产的需要。下游加工企业零散，同上游结合不紧密，没有形成完整的产业链。
4工程化方面还存在较多问题
由于起步较晚和开发体制的不尽合理，我国碳纤维生产在工程化方面还存在如下问题：
①产品质量上不去，生产成本下不来
目前国内碳纤维以3K、12K的T300级为主打产品，许多低端产品毛丝多、脆性大、烧蚀后灰分高、性能指标离散性大，成分、表面结构和截面形貌差异较大，通用性差。基于这些原因，国内生产的产品绝大部分还只能在娱乐休闲领域应用，还不能进入航天、航空及高端工业应用领域。而恰恰是这些领域为目前，尤其是未来碳纤维产品的主要市场。如果不解决产品质量问题，我国碳纤维企业就很难进入国际市场。
生产成本高也是我国碳纤维工业的一个致命问题。近期许多国内碳纤维生产企业都不能正常开工，其主要原因为进口产品低价进入我国市场，对国产产品进行打压。有的进口产品在我国市场的售价甚至低于国产产品的成本，加之进口产品的质量也优于国内产品，国产产品积压也就不足为奇了。国产碳纤维成本居高不下有多方面的原因，但主要原因还是物耗和能耗过高。追其根本，还是工程化问题。同样规模的一条生产线，日本公司可以在同样的时间内生产出是国内企业2～3倍产量的产品。由于能耗在同样的时间内大体相等，固定成本也一样，就不难理解国产产品和进口产品的巨大价差了。
②碳纤维产业化技术落后
我国聚丙烯腈聚合反应釜容积小（国外最大45m3，国内仅10m3)，即造成生产效率低下，同时也造成批次间的离散系数大，碳纤维整体性能不稳定。我国湿法纺丝原丝收丝速率低，约为50～120m/min，而国外收丝速率高达300m/min。原丝氧化炉风速分布不均匀，造成氧化不均质，最终影响碳纤维的性能。碳化工序收丝速度慢（国内150～400m/h，国际900m/h），后续工序速度不匹配，生产效率低。
③产业化关键设备设计制造落后
大容量聚合釜传质传热存在问题，致使原丝单线生产能力不高，影响产品质量和生产效率。多工位蒸汽牵伸机承受蒸汽压力低（国外0.5MPa)，密封性能不好。氧化炉大部分靠进口，国产产品炉腔内温度场、气流场的分布不均匀、炉头空气泄露多。高温炭化炉和高温石墨化炉国产水平低，效率不高，炭化大部分采用硅碳、硅钼等材料为发热体，使用温度通常不大于1300℃，寿命较短；石墨化采用感应加热方式，升华炭易沉积在绝缘件上，形成电流通路，寿命短，稳定性差； 炉体加热结构不合理，炉内断面温差大，影响产品一致性，采用窄通道炉型，从氧化炉出口到炭化炉进口缩幅，从炭化炉出口到表面处理入口扩幅，丝束间运行角度差异造成性能的差异，同时容易损伤纤维；密封效果欠佳，炉内氧气和水浓度高；缺乏张力、露点、氧含量等在线控制信息。
5下游产品开发不够，应用技术落后
根据相关资料，一个工业用碳纤维复合材料零件的成本构成，其中碳纤维和树脂的成本占25%，把碳纤维转成预浸料或编织布（纤维材料），转化成本为15%，而把纤维材料制造成复合材料构件，需要60%的成本，原因是这个过程的边角废料太多和加工工艺复杂落后之故。在分析碳纤维因为价格太高而影响其应用面时，我们必须重视除了25%～30%的碳纤维成本之外的其它70%～75%的纤维和构件成型的巨大成本。否则，即使碳纤维成本降得再低，做出的复合材料和最终产品成本还是惊人。因此，下游产品好加工技术的开发也是我国碳纤维产业必须要重视的一个环节。
6投资过热，生产企业过多
据不完全统计，到目前为止国内已有近40家公司宣布投资碳纤维领域，同时还有10家碳纤维专门研究机构。如果按宣布的计划产能，已经是目前全世界实际产能数据的2～3倍。这些公司分布在近20个省、市或直辖市，其中已经实际投入的有28家，已经投产的有17家；其中，绝大部分实际产能在100吨以下。目前已开工碳纤维厂家的产品规格大都是1K、3K或6K，个别有12K。据不完全统计，性能在T300级水平在建计划装置的能力将大大超出实际需求量。
国内碳纤维生产线名义产能和实际产量存在数量级差异，最大规模生产线为百吨级（3K），而且尚未满负荷达产，而国外单条线最大年产能已达1800吨（12K）。
发展建议
1控制发展热度，集中突破，有序发展
中央政府部门应明确态度，正确引导。加大国家调控力度，对现有的少数具有优势的碳纤维生产地区和企业加大扶持力度，对即将上马的碳纤维企业加强监管，提高新进入碳纤维行业的准入门槛，除确有重大突破的技术外，原则上不支持新进入企业发展碳纤维。另外，中央有关部门在管理和扶持工作中，应合署办公，在政策和资金等方面统一行动。
地方政府应认真分析本地条件，冷静对待。具有多家碳纤维研发和生产单位的地方政府要对所属产业进行整合，完善产业链，形成合力；企业实力较弱和技术落后，不具备竞争力的地方政府应考虑帮助企业转型或同力量强的企业合并，退出碳纤维产业，避免越陷越深；没有进入碳纤维产业的地方政府不要再规划和建设碳纤维研发和生产项目。
民间组织、学术机构及媒体应如实宣传，避免误导政府和投资主体。要全面客观分析和评价碳纤维发展前景、需求潜力就技术难度，给我国碳纤维发展过热降温。
投资主体要量力而行，谨慎投资。要充分认识到碳纤维的有限市场和技术难度。不建议没有具有竞争力技术的投资主体再进入该领域。
2建立以生产单位为龙头的产业化联合体，形成合力
建立以用户需求为牵引，基础研究、实验室开发和工程化为推动的发展体系，形成研发、产业化和工程应用之间的有效衔接，建成完整的产业链。研究单位跟踪国外先进技术，解决工程化、产业化过程中出现的基础问题。生产单位做好碳纤维工程化技术研究及向产业化的转化。应用单位开展工程应用研究，开发先进的应用技术，向研究和生产单位反馈信息和提出要求。联合体应以企业为主体，采取股份制或购买服务的形式组建。在股份制联合体中，企业要绝对控股，对技术成果有绝对控制权。
3降低产品成本，主要发展方向应集中服务工业民用市场
航天航空及军用领域虽然为碳纤维高端产品的重要应用领域，曾经和正在对推动碳纤维工业的发展起着重要作用，但其需求总量不足以支撑碳纤维行业的大规模发展，可让少数企业定点生产。大部分碳纤维生产企业应面向能源、交通、建筑、休闲娱乐等民用领域的市场，不要误入一味追求高精尖的歧途，产品标准指标要有细分概念，质量要求要考虑成本因素。不盲目追高碳纤维主要性能指标，关键要把更多的精力用在提高性能和质量指标的稳定性上，用在如何生产出具有在国内外市场上有竞争力价格的产品上。纵观我国各种工业产品赶超国外产品的历程，无一不是先在价格上取得优势，再在质量上接近和赶超，最后占领某一市场。碳纤维也不可能例外。我国碳纤维产品现在还处于没有价格竞争力的阶段，如果一味追求和竞争对手拼质量和档次，以求成为碳纤维强国，无异于缘木求鱼。
4重视下游加工技术发展，形成完备的碳纤维及复合材料产业链
中国碳纤维行业的发展目前还处于重上游合成，轻下游应用的阶段。这种理念对行业的发展是一个严重的阻碍。目前国际上对碳纤维应用技术的研究已取得较大进展，开发出了很多先进技术，如用特种技术分散较大丝束的碳纤维后，提高和改进制得的复合材料的性能，可以取代6K、3K等小丝束碳纤维，制备高性能的复合材料。商用大飞机整体成型技术、汽车部件快速成型技术等。
5加大政策和资金的扶持力度，帮助行业度过困难时期
政府要把发展低成本高性能碳纤维上升到国家战略的高度，在政策上给予倾斜，在资金上给予支持，尤其是对碳纤维研发、生产、应用联合体给予投入和税收上的政策扶持。
6大力发展环境友好型循环碳纤维
碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和周期均有严格的要求，大量的废弃碳纤维产品急需处理。因此，在产业起步的同时就要着手研究废弃碳纤维及其制品的回收利用。
延伸阅读：快速发展的世界市场
2011年全球碳纤维生产能力大约10万吨，产量约46000，主要生产厂包括日本的东丽、东邦、三菱丽阳，美国的卓尔泰克、赫克塞尔、氰特，德国的SGL，以及中国台湾的台塑等公司。表1为世界主要碳纤维生产公司产能统计和预测。
1.产业集中度较高
生产能力排名前8家公司的产能为78490吨，约占世界总产能的80%以上，主要为日本和美国公司。日本东丽、东邦、三菱三家公司产能之和为45900万吨，约占世界总产能50%。日本碳纤维产品除具有较大生产规模外，还具有品种多，档次高的特点，在世界碳纤维工业中一枝独秀。主要生产企业均具备原丝、碳化及下游丝、带、布及预浸料的生产能力，产业链一体化程度高。
2.增长速度较快
近年来世界碳纤维生产能力年均增速大约为20%左右，大大高于世界GDP增速，产量增速也高于GDP增速。除已有企业在不断扩建生产能力之外，碳纤维行业的新进入者也不断涌现。2011年以来拟/在建新碳纤维的生产公司包括：韩国Hyosung新建0.80万吨产能，将于2020年全面达产；沙特SABIC分别在意大利和沙特建设0.50万吨生产装置；土耳其AKSA和陶氏化学合资建设碳纤维生产装置；SGL在美国华盛顿州开工建设汽车用碳纤维生产装置；俄罗斯Alabuga Fiber LLC也在建设0.15万吨生产装置。此外，伊朗和南美也宣布即将新建碳纤维生产装置。
3.应用领域不断扩大
碳纤维自问世以来，随着生产成本的降低，其应用领域一直在不断扩大，已由初期的航空航天发展到休闲娱乐、工业等应用领域。特别是在工业方面的应用，近年来发展特别迅速，已经占据绝对主导地位，在未来所占市场份额还将进一步扩大。三菱丽阳的P330-series 60K 碳纤维将改变碳纤维中大小丝束的相对地位，碳纤维中小丝束占主导地位的状况将改变。积极发展大面宽产品，以适应工业应用的要求。
4.技术高度垄断
先进企业的一流技术及设备至今无对外转让的先例，高档次原丝等原料也不对外出售。新技术和新工艺的开发主要集中在提高原丝生产效率和质量，提高纺丝油剂和上浆剂的性能，提高预氧化、碳化和石墨化的效率上。
表1 世界主要碳纤维生产公司产能统计和预测 万吨
生产企业 2011年 2015年（预测） 2020年（预测）
东丽 1.90 2.30 3.10
卓尔泰克 1.40 1.70 2.30
东邦 1.39 1.80 2.20
三菱 1.30 1.50 2.00
中国大陆 0.92 1.10 1.80
赫克塞尔 0.75 0.95 1.25
台塑 0.80 0.90 1.15
SGL碳纤维 0.79 1.45 1.80
氰特 0.23 0.50 0.60
AKSA 0.18 0.50 0.60
晓星 ＜0.10 0.30 0.80
其他 ＜0.10 0.15 0.50
沙比克 0 0.15 0.50
合计 9.75 13.30 18.60