材料之王——碳纤维替代空间巨大
□ 中国石油吉林石化公司研究院 齐姝婧
PAN基碳纤维是一种以PAN原丝为原料，经过预氧化、碳化及石墨化工艺制得的碳质量分数大于92%的特种纤维材料。目前碳纤维已在军事及民用工业的各个领域得到广泛应用，包括航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺、运动器材和休闲用品等。由于碳纤维属于技术密集型和政治敏感的关键材料，许多产品既是发展航天航空和军事工业等尖端技术必不可少的新材料，又是民用工业更新换代的基础材料。碳纤维产业对于发展国家支柱产业的升级及国民经济整体素质提高方面，都发挥着非常重要的作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有着重要意义，对国防军工和国民经济的发展具有举足轻重的影响。
生产持续发展
目前，我国已掌握T300级碳纤维工业化生产技术，基本掌握T700级碳纤维工业化生产技术，T800级碳纤维处于试验线试制阶段，m40级碳纤维处于研发、试制阶段。
我国有碳纤维生产企业共30余家，2013年产能近1.4万吨，实际产量不足3000吨。与2012年相比产能增长约40%，产量增长20%以上。从事碳纤维复合材料制品研制和生产，以及设备制造的厂家有百余家。其中大多是生产体育休闲用品，从事航空航天等高端碳纤维复合材料研制、生产单位10余家，从事纤维缠绕和拉挤成型工艺生产碳纤维复合材料的企业共40余家。
我国碳纤维实际年用量约近1万吨，占全球碳纤维产量的1/5。碳纤维复合材料制品应用领域所占比例为航空航天等市场的10%，一般工业市场的30%，体育休闲用品市场的60%。由于碳纤维复合材料应用领域的特殊性，国外对高性能碳纤维技术与高端工艺装备实施垄断封锁，低端碳纤维产品向我国倾销，加上我国碳纤维企业小而散的状态，质量尚不太稳定，而且生产成本高于进口同类产品价格，全行业呈亏损状态。2013年我国大陆及台湾地区生产PAN基碳纤维原丝和PAN基碳纤维主要生产厂家情况见表1。
我国在（拟）建项目的PAN碳纤维产品以T300为主，高性能PAN碳纤维（相当于T700类水平）实验室小试已取得突破，预计2014~2015年有望通过中试而逐步实现T700产品的产业化生产。目前，中复神鹰碳纤维工程技术中心自主研制的T700、T800高性能碳纤维已进入中试阶段。2015~2020年我国规划建设PAN碳纤维项目见表2。
2013年10月，工信部印发《加快推进碳纤维行业发展行动计划》。计划提出，经过3年努力，初步建立碳纤维及其复合材料产业体系，碳纤维的工业应用市场初具规模；要通过对企业跨区域的联合重组，打造碳纤维骨干生产企业，力争到2020年，行业前5家企业生产集中度提高至70%以上，使我国碳纤维产业技术创新、产业化能力和综合竞争能力达到国际先进水平。到2020年，我国碳纤维品种规格齐全，基本满足国民经济和国防科技工业对各类碳纤维及其复合材料产品的需求，初步形成两到三家具有国际竞争力的碳纤维大型企业集团及若干创新能力强、特色鲜明、产业链完善的碳纤维及其复合材料产业集聚区。
《行动计划》还明确了3年发展目标，即初步建立碳纤维及其复合材料产业体系，碳纤维的工业应用市场初具规模。聚丙烯腈原丝、高强型碳纤维的产品质量接近国际先进水平，高强型碳纤维单线产能产量达到千吨级，高强中模型碳纤维实现产业化，高模型和高强高模型碳纤维突破产业化关键技术。初步形成2～3家具有国际竞争力的碳纤维大型企业集团以及若干创新能力强、特色鲜明、产业链完善的产业集聚区。
表1 2013年我国大陆及台湾地区PAN基碳纤维主要生产厂家 吨
公司 规格 PAN基原丝 生产 PAN基碳
产能 方法 纤维产能
中油吉林石化公司 1K，3K，6K 30（研究院） DMSO法 15
370（碳纤维厂） 148
吉林奇峰化纤股份有限公司 1500 150
吉林碳谷碳纤维有限公司
（吉林奇峰全资子公司） 5000
吉研高科技纤维有限公司 12k - DMSO法 175
大连兴科碳纤维有限公司 3K，6K，12K - DMSO法 360
山西煤化工研究所 1K，3K，6K 60 DMSO法 20
威海拓展纤维有限公司 1K，3K 130 DMSO法 50
12K 2500 1000
西安康本材料有限公司 1K，3K，6K 50 DMSO法 20
中复神鹰碳纤维有限责任公司 6K，12K 3000 DMSO法 1220
金发科技股份有限公司 2000
中钢集团江城碳纤维股份有限公司 500
山西恒天纺织新纤维科技有限公司 小丝束 1200 DMSO法 --
甘肃郝氏碳纤维有限公司 6K，12K -- 60
河北硅谷 200 40
中简科技 120 50
安徽鑫丰 30
扬州惠通聚酯技术有限公司 240
河南煤化工集团永煤碳
纤维公司 MH300高性能碳纤维 500（2010年11月投产）
浙江巨鑫碳纤维有限公司 外购原丝 500
兰州蓝星纤维有限公司 500 1500
沈阳中恒新材料有限公司 原丝1500t、
500t碳化线 配套原丝 2012年7月投产
江苏航科复合材料有限公司 100
台湾塑胶公司 15000 6150
合计 29900 14588
表2 2015~2020年我国规划建设PAN碳纤维项目
生产企业名称 产能/（t·a-1）
吉林奇峰化纤股份有限公司 1200
广州金发科技股份有限公司 2000
吉研高科技纤维有限公司 300
西安康本材料有限公司 500
中复神鹰碳纤维有限责任公司 800
沈阳中恒新材料有限公司 4500
天华溢威碳纤维新泰有限公司 2400
中钢集团江城碳纤维股份有限公司 1000
四川创越碳材料有限公司 1700
合计 14400
高端产品奋起直追
2013年，日本东丽公司以及韩国新投产的两家碳纤维企业，均瞄准了中国市场，将不断增加对我国出口份额，这对于国内企业和产品形成重压。国外产品市场份额正在增加，国内市场面对进口产品咄咄逼人之势，我国碳纤维行业尤其要在高端产品上奋起直追，替代进口。
因为技术等原因，我国碳纤维市场低端领域过剩，而高端领域严重不足。目前中高端产品中，只有中复神鹰、中钢江城、江苏恒神有产量。我国市场供应仍以台丽、土耳其、东丽等进口产品及中复神鹰为主。
随着全国掀起碳纤维项目建设热潮，低档碳纤维产品产能日趋饱和。市场无法承载过量的产品，价格从每吨14万元下降到目前的10万元左右，一些企业利润空间不断被挤压。国外一些公司纷纷下调碳纤维价格进行倾销，抢占中国市场，对我国产品形成巨大冲击，导致企业效益倒挂，开工率下降或者停产，产业受到重创。2013年以来这些国外企业又开始调高价格，下游企业不得不被动接受。
2013年国内外新投产装置继续形成产能释放压力，而下游需求增长乏力。波音、空客的大飞机尚存在问题，产量受到影响，日本碳纤维产品在该领域的应用进而受到影响，增加了对中国市场的销量。其他如韩国等国家，也把市场目标锁定在需求旺盛的中国，加重了中国市场压力。与此同时，由于高端市场受制于人，国内市场吃不饱现象仍非常明显。国际对高端产品，尤其是应用于军事、航空航天的产品实施封锁，国内研究处于试验阶段，无法量产，导致这些领域产品空白，下游无米下锅。
目前国产货市场价格主要参照进口货来确定。因为进口货尤其是日本货，质量优势明显，价格也很具竞争力，我国碳纤维产品毫无优势可言。如果想走出低谷，须从做大做强产业开始，在技术和产品规模等方面奋起直追，形成与国外产品平分秋色的局面。
为应对进口产品的冲击，政府应进一步规范碳纤维产品进出口关税、出口退税及加工贸易政策，优化进出口产品结构；完善产业损害预警机制，依法运用贸易救济措施，维护公平贸易秩序；积极应对国际贸易中可能出现的倾销、补贴等不正当竞争，维护我国碳纤维行业安全。
2015年前，全球碳纤维市场需求将保持13%的增长，我国对碳纤维的需求增速则快于全球。预测到2015年，我国碳纤维总体需求将达1.6万吨；到2020年，我国碳纤维需求量将达到2.2万吨。其中，工业领域的需求将提高至75%。图1为2009~2013年我国碳纤维需求情况及增长趋势。
风电发展推动碳纤维需求增长
目前碳纤维在工业领域中的应用已超过全部用量的60%。随着新用途的不断开发，工业应用所占比例还会进一步扩大。在工业领域中当属风电领域最有发展前景。全世界近年来每年新增风电装机容量近40000MW，增速约为22%~23%。随着大功率发电机的发展，叶片尺寸将越来越大。玻纤叶片的临界长度为60米。长度再增加时，必须保证其强度和刚性，同时要轻量化，玻璃纤维的性能达不到这些要求，必须要采用碳纤维复合材料。GE能源公司目前使用三菱丽阳和卓尔泰克的大丝束(≥24K)标准模量的碳纤维生产下一代1.6-100风机，叶片长度为48.7米。预计生产1600台，2012年消耗3000吨碳纤维。
海上风电场将为碳纤维提供较大市场。海上风电机的显著特点是功率大，最小为2MW。目前建设的海上风电场主流电机功率为5.0～6.1MW，旋翼直径为126M，已经建造的最大风力发电机为7.5MW。据预测，到2019年，全世界将生产2.7万台风电机，需要8.2万条叶片。每条叶片所用复合材料中碳纤维含量大约占6%，平均功率按3～5MW计算，碳纤维需求量接近7万吨。
汽车出于轻量化的需要，也在尝试使用碳纤维复合材料。东丽公司宣布将向丰田公司和富士重工提供车身用碳纤维，同时开发新RTM成型技术，使碳纤维复合材料成型时间由原来160分钟缩短到10分钟。丰田将在Lexus LFA，发动机舱盖和车顶生产中使用碳纤维材料；富士重工将在车顶使用。帝人和三菱也在开发快速成型技术，推广碳纤维在汽车制造方面的应用。帝人与通用汽车合作，开发“一分钟部件”生产技术，以便将碳纤维复合材料用于汽车生产。
碳纤维替代空间巨大，被誉为21世纪的“新材料之王”，具有优越的物理和化学性能，其重量不到钢的四分之一，但抗拉强度是钢的7～9倍，且抗拉弹性、比强度、比模量均显著优于钢，还具有耐高温、耐腐蚀等优点。对钢铁、铝合金等传统材料的替代，是碳纤维应用推广的主要动力。专家称，“以塑代钢”是21世纪的必然趋势，推进汽车、飞行器等产品的轻量化以降低油耗、应对资源和环境的严峻挑战，已经成为工业发展的重要主题。以空客A380为例，因每架飞机采用碳纤维复合增强材料达到21～25吨，使每位乘客百公里油耗不到3升，是目前世界上第一个乘客每百公里油耗少于3升的远程客机，座英里成本比目前效率最高的飞机低15%至20%，其燃油的经济性比相应的竞争机型要低13%左右。
碳纤维在工业领域的应用是未来发展的主流方向。据预计，到2020年我国碳纤维需求量将达到2.2万吨。其中，工业领域的需求将提高至75%。国家新材料产业发展战略咨询委员会副主任李克健表示，随着我国由工业大国向工业强国转变，航空航天、汽车和风力发电等领域的技术水平和规模会大幅度提升，碳纤维等新型复合材料的应用领域和消费量也将随之增长。
值得一提的是，未来碳纤维产业技术将向高性能、低成本、高可靠性方向迈进。目前国内已开工的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。而在高性能碳纤维领域，继T800、Tl000之后，HS、M65J等高强、高模碳纤维也逐渐得到了充分的重视和发展。相信未来，碳纤维复合材料将逐步在从“贵族”材料向“平民化”材料转变，在民用领域的应用不断扩大，这种“平民化”趋势引起了人们对于复合材料高性价比关键技术的创新需求。