■ 步入创新与竞争时代的高纤及复材系列报道①
前言
2025年是我国实施“十四五”规划的最后一年，自2024年下半年起国家有关部委开始起草未来3年及“十五五”发展规划，其中主要高性能纤维及其复材依然是国家重点支持的攻关项目和课题。
笔者将围绕新形势下国内外主要高性能纤维及复材的最新创新与发展态势，包括目前国内外的主要差距和今后发展与科技攻关方向，进行综合评述，以飨读者。本期将聚焦国内外聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）相关情况展开论述。
国外相关情况
1. 主要公司新进展与动态
（1）东丽
据统计，2023年东丽碳纤维（CF）及碳纤维增强复合材料（CFRP）产业的销售收益同比增长3%，由2905亿日元上升至2905亿日元，但产业收益减少17%。该公司预计，2024年产业收益将增长59%（210亿日元），到2025年的收益目标为增长360亿日元。
在当下PAN-CF产业竞争空前激烈的形势下，东丽靠以下五大优势维持目前和今后的“世界霸主”地位。
① 根据全球市场需求适时扩大有关品种产能
目前东丽在日、美、法、韩四国小丝束PAN-CF总产能为2.9万吨/年，2025年计划扩大7200吨/年，总产能扩大至3.51万吨/年；而在墨、匈两国大丝束PAN-CF总产能现为3.5万吨/年，两者合计现总产能为6.4万吨/年，到2025年升至7.12万吨/年。
高性能产品方面，到2028年计划在美国等3国进行扩产和新建，将产能提高40%，总投资逾千亿日元，以满足飞机快速增长的需要。这样无论公司总产能、单套生产线产能、品种系列化、最高性能产品水平、产品稳定性及其复材（CFRP)的力学性能利用率等，均保持世界领先水平。
② 不断开发“量身定制”的产品
M40X：用于风电叶片，强度5.0GPa，比M40高30%，模量相仿(350GPa)。当与纳米合金树脂制成预浸料时，其压缩强度和抗冲击强度大幅提高。
M46X：用于体育用品，拉伸强度5.0GPa，比M46J高20%，拉伸模量437GPa，压缩强度高。
T620s：24K，拉伸强度4.3GPa，拉伸模量235GPa，断裂伸长率1.8%。
T710S：24K，拉伸强度4.7GPa，拉伸模量265GPa，断裂伸长率1.8%。
T910S：36K，拉伸强度6.07GPa，拉伸模量278GPa，断裂伸长率2.2%。
T720SC：36K，拉伸强度5.88GPa。
T7020S：适用于高压氢气瓶。
Z600：拉仲强度4.4GPa，拉伸模量235G~245GPa，适用于汽车结构件。
T1200：拉伸强度8.0GPa，拉伸模量315GPa。
③ 回收碳纤维
东丽旗下ZOLTEK公司开发了回收大丝束PAN-CF新技术，与原生CF相比成本低20%~40%，拉伸模量相仿，而拉伸强度低约10%~20%。产能在3500~5000吨/年。
据报道，到2035年由各主要应用领域回收的PAN-CF的全球市场规模将比2020年扩大2.8倍，达到3.35亿日元。以空客为例，2020—2025年产生的95%边角料将流通至再生产业，而且生产rCFRP的能量负荷只有生产CFRP的1/6，并大量削减CO2的排放。
④独创技术储备
东丽拥有两项重要的创新工艺全套技术，一项是釆用超高相对分子质量PAN作为起始原料，经干喷-湿纺和高压蒸汽拉伸等工序制得原丝，经预氧化最高可制得强度4.9GPa的预氧化纤维，再经碳化可制得拉伸强度8GPa以上、断裂伸长率2.5%的CF，其复材可制得高强、高模、高韧性的CFRP。
另一项选用离子溶剂制备PAN纺丝原液，并添加特殊氧化剂和助氧化剂，配制成黑色的部分预氧化纺丝液，经纺丝和后加工而制得预氧化纤维，不需要庞大的预氧化设备，缩短了碳化工艺，大大降低能耗和生产成本。目前在中试装置已试制出相当于T700等级的CF、大直径CF、中空CF和高伸长率CF等，但尚未产业化。
⑤ 在复材方面一体化成型
2023年初东丽开发了面向汽车的大型CFRP部件，实现了一体化成型，其以轻质CF多孔材料为芯材、力学特性优的热固性预浸料为两面皮层的三明治结构，它比钢制品轻50%，抗冲击性、隔音和隔热性优良，也适用于无人机等，预期未来10年间会培育成大型商品。
（2）三菱丽阳(三菱化学)
三菱化学的小丝束PAN-CF总产能为1.51万吨/年，最高性能产品为IM 10，其拉伸强度为7.0%，拉伸模量324GPa，断裂伸长率2.2%。大丝束主要用于汽车部件等，产能约千吨级，力学性能最高可达到T700水平。
最近三菱化学在德国申请DMF法干喷-湿纺PAN原丝及其高性能CF的专利，制得的最高性能PAN-CF指标为单丝直径6.0μm、密度1.83g/cm3、结节强度470N/mm2、破坏表面生成能21N/m、平均微孔长变20.0nm、微孔直径0.70nm、结晶尺寸3.2nm、束丝强度5.8GPa、束丝模量390GPa。
（3）帝人
帝人的创新产品是开发由生物质衍生产品或其回收原料合成丙烯腈，进而生产生物质PAN原丝及Tenax 碳纤维，目前已取得ISCC Plus的认证，2024年将在欧洲和美国取得认证。为适应航空航天的新需求，帝人还开发了UMS45新品种。新近又进一步开发UMS55高强高模品种，相当于东丽的M55J，如表1所示。
（4）三井化学
三井化学为新加入PAN-CF及其CFRP研发、生产的企业，其PAN原丝的创新工艺系通过控制单丝表面粗度和断面长-经比，使之适用于生产高压容器的CF原丝。
三井化学的预氧化和碳化炉先后与大阪大学和一家日本微波化学公司合作制造，釆用创新的微波加热技术，能耗下降50%，温室气体排放可望削减90%以上，商品名为“Carbon-MX”。其可与植物系还氧树脂复制成预漫料“Bio Prepreg# 400”系列产品，用作体育用品和汽车部件。也可与PP树脂复合成UD带“TAFNEX”，计划于2025年投放市场。此外，该公司还研发出了全球最快的CF增强环氧树脂成型技术，固化时间只有40s。
东北大学和大阪工业大学研发单向CF增强压电塑料传感器，利用其强度和柔软性，期待应用于动态检测领域。其单向力学特性是未加入CF的压电塑料的约20倍，纤维垂直方向的高伸长性有助于取得高电压应答，可用于测定棒球接球时产生的冲击力，也可能追踪步行的类型。作为IoT传感器，除应用于体育休闲用品外，还有望应于医疗、护理、机器人、和航空航天等广阔领域。
（5）赫氏（Hexcel）
赫氏的产品主要服务于美国和欧盟的航空航天等领域，目前在美国产能为1万吨/年，在西班牙为4000吨/年，最高性能水平为IM10，拉伸强度6.8G~7.0GPa，拉伸模量313GPa，断裂伸长率2.0%。此外，近期开发了一系列“量身定制”的产品：专为汽车板簧而设计的CF增强热固型树脂复材HexPlay M901；为风电叶片设计的HexPlay XF2；适用于风电叶片主梁的CF/PU拉挤成型板材Polyspeed；面向风电等的新产品HexTow HM50；另外，还有“HexTow”HM63，其拉伸强度和模量分别为4688MPa和441GPa，可满足航空航天领域新要求。
（6）Cytec工业公司
Cytec公司发表了从制备大丝束聚合物原丝用喷丝板组件，到纺丝、预氧化、碳化的全套公开专利（US 2024/0376640 A1）。
（7）美国4M
美国4M公司与橡树岭国家实验室（ORNL）共同开发低成本PAN-CF制造技术“4X技术”，比传统预氧化技术的速度快3倍，单位能耗降低75%，制备的CF质量较高。
（8）德国SGL碳素
德国SGL碳素公司开发了适用于氢燃料汽车储氢瓶等的大丝束CF新品种SlGRAFIL C T50-4.9/235，其拉伸强度高达4.9GPa，模量235GPa，断裂伸长率高达2.0%。
（9）德国AG
德国AG公司与德国纺织与纤维研究所合作，开发低压及特殊气氛下预氧化PAN原丝新技术，在严格控制气氛和氧浓度的条件下预氧化，可缩短加工时间30%，降低能耗50%。
（10）韩国晓星
目前韩国晓星公司在韩国的PAN-CF产能为1.4万吨/年，最高性能产品为“H3065”，其单丝直径5μm、拉伸强度6.4GPa、拉伸模量290GPa、断裂伸长率2.02%。此外，在中国山东将建成产能9600吨/年生产企业，到2028年计划扩大至2.4万吨/年；在越南一期先兴建4800吨/年生产厂，二期约1.72万吨/年。届时，韩国晓星在以上3国的PAN-CF总产能将达到6万吨/年。
（11）俄罗斯圣彼得堡国立工业技术大学研究院
该院研发了一种碳纳米纤维（CNF），单丝平均直径150nm、长约5mm、比表面积13m3/g、电阻10-6 Ω·cm、导热率1200Bt/m·K、初始模量500GPa。可以作为填料加入PP纤维中，形成导电、导热复合纤维。
2. 再生碳纤维（rCF）
（1） 回收分离技术
日本静冈厂开发出CFRP中CF和树脂可完全分离的技术，通过铌系磁石的磁化作用，在炉内导入空气并升温处理至400℃左右，可在不损伤CF情况下，实现树脂或粘合剂从CF中完全剥离，现正处于实验室规模。
（2）rCF/PP混杂纤维热塑性复材中间体
三重县工业研究所与三重县产业支援中心合作，研究rCF混杂纺织丝及其热压单向中间基材或织物基热压基材。经试验确证，其成形性与市售预浸料具有同等的赋形性。
3. 原创性发明
（1）纤维状碳纤维电池
日本丰田中央研究所开发了刷新的锂离子二次电池电极结构的“纤维电池”，电极的结构呈同心圆状，使电极的对向面积扩大，离子传导路径缩短，实现了高能量密度和快速充放电性能。其尺寸和柔性都可以改变，因此正加速研发适用于无人机等的电池骨架。
该纤维电池将作为负极的CF配置于中心，周围包覆呈同心圆的绝缘膜（电池隔膜）和正极材料，形成纤维结构的基本元件。其单根纤维直径行为3000μm，可随所需的容量呈束状并列。由于可自由变更丝束的根数和形状，因而适用于各种不同的用途。
（2）钠离子电池用柔性锡基碳纳米纤维（Sn/CNF）无粘合剂电极
韩国纤维协会的专家研制了一种柔性电池，可用于柔性电子产品、可穿戴设备和植入式医疗设备。其中CNF在电子器件中作为活性物质的基体。为了取得更好的柔性和更高的能量密度，在钠离子电池柔性阳极中采嵌Sn的静电纺CNF。
（3）釆用聚碳酸酯纤维（PCF）的热塑性碳纤维复合丝
东洋纺纤维公司采用独创的复合纺织技术，开发了CF与PCF的热塑性复合丝“CfC纱”新产品，可进一步加工成编绳、UD布、织物及编织物等CFRP的中间基材，适用于要求耐冲击性的汽车和建材等领域，CfC纱为CF与热塑性纤维组成的3层结构CF复合丝，为取得高强度可形成必要的复合树脂浸渍和多种上浆剂成形的柔性产品。
东洋纺纤维公司于2024年开发了CF与尼龙纤维组合的复合丝，CfC纱为PCF与CF相组合的新产品，其耐冲击性、耐侯性、低吸水性、尺寸稳定性、透明性等优良。一般要达到高粘度和高浸渍性是有难度的，而CfC纱因其独特的纤维结构，可实现高水准的浸渍性。
（4）釆用特殊环氧树脂的新型CFRP
日本化药公司正培育一种面向飞机的CF增强特殊环氧树脂，可提高韧性、难燃性和模量等。目前该树脂主要用于半导体封装材料和电气、电子用板材。
（5）耐震补强的CFRTP与阔叶林木材相组合的新型建材
小松マテ-レ公司开发了CFRTP“力ボコ-マ”与里山的阔叶林木相组合的新型建材或家俱等。
日本帝人则开发了CFRP与木材简易粘合的技术“Prestress”工法。
（6）导电、耐久的CFRP
波士顿材料公司开发了具有金属同等导电性、耐久性，又兼有与树脂同等轻质的CFRP。相对于水平面，将CF以垂直方向配置，可制造能量效率优异的CFRP。
今后，具有高热控制功能的CFRP有望应用于新一代半导体、航空航天和汽车部件等广阔的产业。三菱化学以其拥有的高能效复材制造技术，助力新兴企业开拓CFRP新用途。
4. 未来发展方向
（1）继续朝超高性能CF及低成本两大方向发展。
（2）在CFRP方面，继续向提高CF力学性能利用率、产品系列化和快速成型的方向发展。
（3）在CFRP的树脂中添加各种纳米微粒，如CNT、石墨烯、中空微纳米陶瓷粉体等，是今后扩大应用领域的重要手段之一。
（4）在应用和市场开发方面，低空经济、宇宙开发、国防军工和AI等，是今后的重要研发方向。
国内相关情况
1. 新加入企业呈爆炸式增长，分布趋于合理，但产能结构性过剩
目前全国正扩建和新加入PAN-CF和复材的厂家约有23家，特点是投资规模大，且朝上下游产业链发展，大多为小丝束高性能CF及其复材，其中约有14~15家计划在2025—2030年间形成万吨级企业。
2024年全国共有大小丝束PAN-CF生产企业40余家，总产能约15.8万吨/年，2023年总产量超7万吨。分布在全国除海南、重庆、江西、湖北、西藏、宁夏以外的地区。其中江苏省和山东省(含在建，不包括外企)各有4家千吨企业，江苏还有一家小企业(扬州中心)，山东还有一家外企(晓星）。若包括复材企业，则几乎遍布全国各地。
目前产能最大的小丝束CF企业是中复神鹰股份有限公司，在连云港和西宁的总产能约为3.5万吨/年，原计划到2026年扩大到6万吨/年。而大丝束为主的企业为吉林化纤，总产能约4.9万吨/年。中国台湾塑胶的小丝束CF产能约1万吨/年，部分产品输入中国大陆。
由于全国大小丝束CF总产能远大于需求，因此自2023年起竞争激化，售价猛降，甚至亏损销售。如12K T300型小丝束CF价格已降至7万元/吨，大丝束CF为6万元/吨。造成包括上市企业在内的多数企业营销收入大减，有些企业因亏损而停产。
2. 奋力追赶国外高性能PAN-CF系列产品
在高性能小丝束CF方面，一些优质企业奋力追赶东丽等领先企业的系列高性能产品，中复神鹰、恒神、长盛科技等企业开发了T1100超高强度（6.6GPa）CF。此外，多家企业开发了相当于M40X、M46X，甚至M55X的新产品，还有M55J、M60J高强高模产品。
与此同时，宁波材料所发改委碳纤维制备技术国家工程实验室先后突破了T1000、M60J、M65J、M30X、M40X、M50X、M55X新一代高强高模PAN-CF及其预浸料，并配套开发低成本腈纶基CF、镀金属CF、耐高温热塑性上浆剂、PAN原丝油剂等。
3. 近期工艺技术创新
上海石化股份有限公司是后起之秀，目前大丝束PAN-CF产能为6000吨/年，最近根据市场需求创新开发了大小丝束湿纺高强高模高伸新产品。
长春理工大学研发了一种磺化超支化生物基水性聚氨酯上浆剂，可提高CF的拉伸强度及表面浸润性。其中利用羧酸盐前链扩展剂与磺酰胺扩展剂间的协同作用、交联网络和SO3Na的氢键作用、尺寸涂层的乳化液表面能及粗糙度和润湿性，可改善CF的弯曲和拉伸强度，使之分别达到43.75mN/m和5.68GPa，比原始CF分别提高了45.4%和30.7%。
新疆大学与新疆隆炬新材料有限公司研发碳纤维预氧化和碳化生产过程的废气处理技术，在3000吨/年生产线上经处理后，主要污染物氰化氢未检出，氮氧化物平均值为17.36mg/m3，烟尘颗粒物平均值为2.54mg/m3，远低于排放标准值。
4. 回收PAN-CF相关技术
（1）新技术开发
国内外各种热固性CFRP废料回收CF的方法及其优缺点详见表2，可见，国内外大多选用热解法。主要技术来源一是上海复源科技有限公司，已转让技术形成产能1000吨/年的rCF生产企业，rCF强度利用率90%以上；另一家是上海治实合金科技有限公司，已转让过数家CF回收设备。
（3）国内rCF产品开始出口日本
江苏德晴新材公司（江苏镇江）拥有独创的热分解技术，且有稳定的调拨CF边角料的能力。加之该公司能独占CF风电叶片边角料废料，并用独创的连续式热分解技术高效生产出稳定的rCF，现产能600吨/年，计划扩大至1000吨/年，并取得了GRS认证及ISO9001/14001认证。因此，日本双日公司与江苏德晴新材公司（江苏镇江）缔结了输出日本的rCF短切碳纤维的代理店协议。该公司同时通过该热处理技术和上浆剂专有技术，实现了每公斤CFRP废料可回收460g性能与原CF同等水平的rCF。
5.市场供需情况
据统计，当前全球CF市场规模已超过10万吨/年，而产能已超过30万吨/年。其中20万吨/年以上产能来自中国，无论是大丝束或T700小丝束CF国内产品均达到了世界先进水平。
6. 国内产品自给率大增，并开始出口
近年来，我国CF产量大增而进口呈下降趋势，并开始出口，其中浙江精工碳材料有限公司在国内外展会上都公开展示其PAN-CF全套生产技术和装置，可以出口转让。
7. 新市场展望
（1）航空领域，C929和C939等民航机、无人机、各种低空飞行器等。
（2）新能源领域，主要是海上大型风电叶片，包括漂浮式风电叶片等。
（3）高速轨道交通运输工具方面，有高速列车和磁悬浮列车车厢及其各种轻质CFRP部件。
（4）随着低成本CF的产业化，汽车、日用电子消费品、各种工业部件将成为今后的大市场。
（5）rCF在多种传统产业领域将开辟越来越广阔的应用市场。
8. 国内外主要差距
东丽十分注重基础研究和原创性发明，重视申报系统性基本专利，更注重先进表征和测试手段的开发和应用，其中支撑其引领世界的“纳米结构控制技术”及纳米结构观测仪器，是确保其自由研发出各类CF新品种和“量身定制”产品的基础，也是稳定产品质量和保证其复材力学性能高利用率的关键技术之一。
反观我国，仅从相关专利和论文质量来看，与国外的先进技术差距巨大。有些为了完成国家科技攻关指标中的申报专利数和发表的论文数，将原本可申报一项系统完整的专利，分解成各工序的专利或实用新型专利。
从发明的年代看，早在15年前国外就研发了力学性能相当于T1200数倍的超细PAN-CF，直径小于3μm，断裂伸长率为3%~7%。东丽的高强中模系列CF专利，都是在1985年前后发表的。
在复材领域，快速成型技术包括固化剂和树脂体系，是衡量先进性的指标之一，目前日本多家企业已开发成功成型时间只有30~40s的热固性CFRP成型技术，而我国最快约6min。
CFRP应用于低空经济领域，目前国内市场发展不平衡。在无人机领域，我国在世界上遥遥领先；在飞行汽车方面，我国正处于“百花齐放”的研发试飞阶段；在飞艇类和各种低空区间飞机方面，我国则稍有欠缺。据悉，我国相继从匈牙利和捷克分别引进低空区间飞机全套生产技术，前后均落户无锡，目前正在兴建生产厂。
在传统交通领域中的应用，我国正在加速追赶。自C919飞机投入运营后，C929宽体飞机（含约50%CFRP）已完成设计开始研发，C939也列入议程。在地铁、高铁、货运列车和电动汽车方面，我国已领先世界，但轻质CFRP的使用量远落后于国外。韩国早在多年前就制定了公交车和火车车厢等的CFRP计划，现首尔的公交车已实现CFRP化，正向轨道车辆发展。我国中车青岛四方机车公司等单位联合研制了全球首例商业化运行的CFRP地铁列车“CETROVO 1.0碳星快轨”，具有轻质、节能、高强、环境适应性好、寿命长、成本低等优势，其转向架横梁釆用中复神鹰T700级CF，而光威复材为该车提供了CF、织物、预浸料等材料支撑。
9. 研发方向建议
（1） 开发和完善针对不同应用领域的“量身定制”系列产品，包括各类上浆剂。
（2）加强应用研究和新市场开发，推动传统产业迈向新质生产力。
（3）低空经济等先进产品，将是今后庞大的需求市场和出口“硬通货”。
（4）轨道车辆是另一具有发展潜力的大市场，包括车厢、各种部件、刹车盘、机站房等。
（5）航空航天是今后和未来的庞大市场。
（6）超高性能CF、低成本CF、高强高伸CF、混杂复材及在CFRP的树脂中添加各种新型粉体等，是值得关注的发展方向。
罗益锋 教授级高级工程师。先后任化工部北京合成纤维研究所腈纶科研专题负责人、北京合成纤维实验厂技术委员会副主任、北京化工集团经济技术信息研究所副所长、全国特种合成的纤维信息中心主任等，并先后任国家科委和国防科工委全国芳纶攻关专家组副组长、国家科委全国高性能纤维攻关专家组副组长、国家科委国家犮明奖特邀审查员、科技部 863 碳纤维专项中国碳纤维产业发展战略研究小组副组长、中国科技促进会生物科技创新专业委员会碳纤维首席专家等。先后获38项国家、六部委科技进步奖和科技信息成果奖。