由全球发展看
中国如何应对碳纤维行业良机
■ 罗益锋
截至目前，日本产学研机构已率先在CF及其PAN原丝技术上取得了重大突破，为之后垄断世界巿场奠定了基础。此外，在相对后进的CFRP产业，许多日本大中小企业纷纷加入各种制品的研发和生产，特别是汽车的各种零部件，以抢抓住未来的巿场先机。这些都值得国内CFRP相关企业学习和参考。国内生产企业应一方面各自成立研发中心，加大与海内外汽车集团的合作；另一方面通过兼并国外知名CFRP企业，取长补短，迅速占据主要巿场。
产业发展迎来机遇
2014年世界聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）的巿场规模为1653亿日元，据预测，该数据到2025年将高达4299亿日元，增长2.2倍。同期，沥青基碳纤维（P-CF）市场规模将从153亿日元增至204亿日元，提高1.33倍。全球碳纤维产业即将迎来大发展的机遇。
未来，美、欧、日、中等汽车生产与消费大国和地区，将实施更严格的节能与环保法律法规，按照规定，到2020年，新出厂汽车百公里油耗不得超过5L，而每公里所排放的温室气体量不得超过95g。要达到上述指标必须减重60%左右，而如果将汽车零部件替换成CFRP，可相应减重30%左右。
CFRP将在未来汽车轻量化的进程当中发挥重要作用。预期到2025年，全球CFRP的巿场将比2014年增长2.7倍，达到25586亿日元，其中汽车用CFRP市场规模将从2014年的723亿日元增长近4倍，达3278亿日元。PAN-CF增强热塑性树脂（CFRTP）成型加工品的全球巿场规模，2014年为1164亿日元，而使用热固型树脂的CFRP为8246亿日元，然而到2025年的CFRTP世界巿场规模预计为2670亿日元，届时CFRP为22916亿日元。
正是由于上述巨大的巿场诱惑力，以日本为首的许多中、小企业，纷纷加入CFRP汽车等工业产品的开发和生产，形成蓬勃创新发展的新格局。碳纤维厂家则出现创新热潮并不断扩产，2～3年后的PAN-CF单线最大产能有望从目前的2700吨，扩大至1万～2万吨。
我国的PAN-CF的研发，近期陆续突破了T1000G和M55J等级的技术瓶颈，T800等级实现了千吨线的初步产业化，正向T1100和M60J进发，基本品种的产品质量趋于稳定，碳纤维与复合材料园区初见雏形，近期被日本媒体形容为＂迈向碳纤维强国＂的产业。尽管在碳纤维基本品种方面，缩小了与国外的差距，但在高端超碳纤维、高效节能低成本碳纤维方面，以及研发全新的创新工艺技术上，我国与国外的差距却拉大了。
碳纤维扩产如雨后春笋
1.东丽
该公司预测未来PAN-CF全球市场的年需求增速将达10%～15%，因此其将继续积极投资小丝束（RT）级和大丝束（LT）碳纤维。
2016年一季度该公司在墨西哥增设2500吨 LT碳纤谁生产线，使总产能达到1.5万吨，在南卡州新建2000吨RT碳纤维生产线，使总产能达到2.91万吨，同期相应建设PAN原丝厂，到2030年使PAN-CF总产能占世界50%以上份额。
2.三菱丽阳
2016年中期该公司在美国加州增设2000吨 RT碳纤维生产线，2017年7～9月在大竹事业所增设1200吨LT生产线，使PAN-CF的总产能提高至1.33万吨。到2020年的目标是1.8万吨，主要面向风力发电和汽车市场。
3.帝人-东邦Tenax
该公司在美国南卡州购得180万平方米的土地，计划在2018年导入最新的制造设备，年产能预计为1万～2万吨。由于采用了创新的技术，在同一生产线既可生产高品质的航空级，也可生产重视生产效率的汽车所需低成本的碳纤维。
4.SGL Carbon SE
该公司在英国苏格兰拥有4000吨的LT PAN-CF生产线，在美国华盛顿州的SGL汽车碳纤维公司是SGL与宝马汽车公司的合作公司，产能9000吨。在葡萄牙Fisipe，该公司收购了大型腈纶厂，将逐步改造为大丝束原丝生产线，而其中的PAN-CF中试厂装置是三年前由美国哈泊公司引进，目前主要用于生产高性能RT PAN-CF，将用于欧洲航空领域。
5. Hexcel
该公司投资2.5亿美元在法国兴建的从PAN原丝到碳纤维生产的新工厂，于2015年9月开建，占地37亩，计划于2018年初建成投产，产能约4000吨。最近还计划投资2200美元，扩大PAN-CF织物厂的产能，增设树脂预浸生产线，满足飞机等产业的需求。
6.Solvay
该公司在Piedmont新建了碳纤维生产线，最近将关键原料的产能翻番，包括从丙烯腈单体直到生产标准模量PAN-CF的全套装置。产品主要用于工业和军用飞机。
7.我国碳纤维企业
近年来我国PAN-CF扩产最快的莫过于两大后起之秀——中安信科技和精功集团。中安信科技公司现有1700吨的RT PAN-CF及5000吨 PAN原丝生产线，运行状态良好，目前正筹建2条各1700吨的新RT线和1条2000吨LT线，今后将随汽车部件等的需求增长，再建成5条2000吨的LT线。
浙江精功碳纤维有限公司和吉林精功碳纤维有限公司，现有2000吨 RT PAN-CF生产线，2018年计划再建2000吨 RT线，2017年第一条2000吨LT线将建成试车，今后将发展成1.2万吨的LT线及相应PAN原丝丝线。表1为2016年全球主要PAN-CF厂家的产能分布情况。
CFRP三大日企最新动态
（1）东丽
2015年11月，东丽和波音签署了为期10年向新型飞机B-777X供应PAN-CF的合同，加上已向中型机B-787交付的CF，总交付额超过了110亿美元。为此，到2020年东丽在美将投资1000亿日元扩大CF产业，在南加州一期先投约500亿日元，兴建从PAN原丝到2000吨CF的全新生产线，2019年开始向波音提供预浸料。
东丽还与空客公司签订了向超大型飞机A380长期供应T800S碳纤维预浸料的协议，作为一次结构材料，还向2017年四季度初航的新型中型机A330neo，提供一次结构材料用CF预浸料，向新型小飞机A320neo的发动机PW1100G的叶片壳体，提供同样预浸料。
此外，东丽还与美国宇宙开发风险企业Space X签订总额超过2000亿日元的长期供应CF的协议，用于火箭和宇宙飞船机体。
另外，公司2016年开发了兼有轻量和高刚性的CF结构材料“碳纤维增强泡沫材料（CFRF）”，并开拓新用途。
（2）东邦Tenax
2016年3月公司在德国构建热固型CFRP的全套生产体系，引进加工CF预成型体的成型机，与预成型体自动制造过程相组合，通过采用预成形体的RTM工法，量产复杂形状或不同厚度的特种复合部件。
为了迅速进入汽车领域，帝人最近花费8.25亿美元完成了对美国最大的汽车用复合材料厂家CSP（洲际结构塑料）公司的收购，到2020年对汽车领域的销售目标为9亿美元，到2030年有望达到20亿美元。
（3）三菱丽阳
该公司正加速向汽车用CFRP部件挺进，在宝马i3与BMW合作的基础上，利用自己拥有的CF-片材模塑料（SMC）成型技术，加快与北美和欧洲汽车部件厂合作。此外，公司继在日本、德国拥有连续生产基地外，2017年1月收购在美国的CF厂，扩大SMC成型技术产能。
最近公司还与意大利兰博基尼公司探讨合作开发汽车用CFRP部件的可能性，希望把兰博基尼拥有的低成本优势、大幅缩短CFRP固化时间的技术、量产及柔性设计优势，与该公司的预浸料压模（PCM）和SMC技术结合起来，利用1年时间确定应用的车种和部位。
迎接碳纤维时代到来
（1）大中小企业齐上阵
三井化学最近决定进军汽车轻量化的工程塑料和CFRP领域，逐步培育成支柱产业，目标盈利额为到2020年达到500亿日元。此外，住友化学投资数十亿日元在千叶厂新设聚醚砜（PES）生产厂，作为CFRP的增韧剂，其产能到2018年将达3000吨。
新日铁住金材料公司开发了可实现强度和模量优良的CFRTP预浸料“NS-TEPreg”，可用于假足、假肢等医疗装具、运动护具、自行车和汽车部件等，2020年的銷售目标为30亿日元。
积水化成品工业公司，2016年收购了拥有CFRP高度成型加工技术和设备的雅玛球公司，将CFRP片材复合添加进聚丙烯发泡体部件中，形成兼有轻量、高强、刚性、隔热、抗振、隔音等优良性能的功能材料，广泛用于汽车、船舶、风电叶片、家电、产业和医疗器械等。
日本UCHIDA的CFRP成型品始终追求应用于最先进的领域，如世界最大的直升飞机和首架电动无人机厂家的CFRP叶片、兰博基尼轿车部件等。
美国Imposible Objects of North Brook公司用3D打印开发的CF增强PEEK部件，比6061-T6铝部件轻50%，但强度为205MPa，而铝板为310MPa。
美国Hexcel的快速固化环氧系CF预浸料，已应用于BMW 7系以加固金属壳体，树脂选用HexPly M77，在160℃ 、1.5分钟，即可固化。
奥地利聚烯烃生产商Borealis，最近用其纤维改性技术延伸到CF增强PP，现己应用于许多汽车部件，以达到轻量、无接触腐蚀、无吸湿的性能要求，适用于较经济的模塑工艺。
（2）CFRP的创新发展
日本米兹诺公司承担NEDO的课题，成功采用碳纳米管（CNT）来改进CFRP的冲击强度。只需添加0.5% CNT，就可使高尔夫球杆的抗冲击强度提高13%。但CNT须经特殊的表面处理，以缓和CNT的分子间力，提高分散性，表面处理技术是与东京大学共同开发的，在MWCNT表面上引入不易损伤的官能团，同时在东邦Tenax和神户天然化学公司的协助下，制成均匀分散的CFRP预浸料。现已应用于各种体育器材和汽车方向盘等，将于2018年正式商业化。
金泽工业大学创新复合材料研究中心，开发了在PP和聚乳酸（PLA）混合树脂中，添加5%CF和30%由竹子提取的短纤维，使拉伸强度提高1.7倍，弹性模量提高1.5倍，而导电性有所提高。短切CF的长度约为3mm，竹子短纤的长度约为0.25mm，通过过热蒸汽从竹子中抽出。经测试，CFRP的表面电阻为100G欧姆，不易产生静电，可通过长、短纤维的组合，来平衡导电性和强度。
面对即将来临的碳纤维时代，日本三大碳纤维厂家一方面加大合作创新的力度，另一方面有的放矢地兼并海外相关大型CFRP企业，与海内外科研机构或大学合作，达到分享和最终占领全球主要巿场的目的，这点值得我国借鉴。
CF未来的研发方向是朝低成本和超高性能两大方向发展，而CFRP的巿场开发，对CF进一步提出“量身定制”的要求，不仅要求针对不同用途需有不同的表面改性技术和上浆剂，还要针对不同用途进一步改进和提高CF的某些性能，如风电叶片的压缩强度等。
表1 2016年全球主要PAN-CF厂家的产能 吨
东丽 27100
东邦Tenax 11500
三菱丽阳 10100
Hexcel 10000
台湾塑胶（中） 8800
Cytec Engineering 7000
Dow Aksa 3500
SABIC 3000
晓星 2500
泰光 1500
ZOLTEK 15000
SGL Carbon 12000
中国大陆 15000