碳纖維產(chǎn)業(yè)有潛力

作為高性能纖維的重要一員，碳纖維是高科技纖維的典型代表，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新情況一直備受世界各國(guó)關(guān)注。在復(fù)雜多變的環(huán)境下，全球碳纖維產(chǎn)業(yè)近三年的競(jìng)爭(zhēng)格局發(fā)生了深刻變化。我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)目前整體發(fā)展情況如何？作為國(guó)產(chǎn)碳纖維重要的集群地，吉林省及吉林市的碳纖維產(chǎn)業(yè)有哪些發(fā)展新動(dòng)態(tài)？全球碳纖維技術(shù)創(chuàng)新的方向和重點(diǎn)是什么……

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國(guó)產(chǎn)碳纖維抓住機(jī)遇乘勢(shì)而上經(jīng)歷了多年的“內(nèi)功”修煉和產(chǎn)業(yè)沉淀，近幾年，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)抓住難得的發(fā)展機(jī)遇期，乘勢(shì)而上，發(fā)展形勢(shì)非常好。北京化工大學(xué)教授介紹，產(chǎn)業(yè)形成了聚丙烯腈基(PAN)、粘膠基、瀝青基三種類別的齊全碳纖維制備體系;國(guó)產(chǎn)碳纖維高性能化技術(shù)由二甲基亞砜法(DMSO)體系突破，已形成了以二甲基亞砜法(DMSO)為主，二甲基乙酰胺法(DMAc)和硫氰酸鈉法(NaSCN)共同參與的原絲制備技術(shù)體系;形成了濕法紡絲和干濕法紡絲、小絲束與大絲束工藝齊頭并進(jìn)的多元化產(chǎn)品體系;形成了高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模、高強(qiáng)高模系列這樣齊全的產(chǎn)品體系。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)形成了碳纖維、輔料助劑、評(píng)價(jià)表征、裝備研制、應(yīng)用服務(wù)等全方位發(fā)展的格局。從生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品系列看，我國(guó)大多數(shù)碳纖維龍頭企業(yè)都采用二甲基亞砜法(DMSO)生產(chǎn)技術(shù)，包括光威復(fù)材、中復(fù)神鷹、江蘇恒神、中簡(jiǎn)科技等。已經(jīng)形成了高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模、高強(qiáng)高模系列化碳纖維產(chǎn)品，積累了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝制造技術(shù)，產(chǎn)品在航空航天、電子通訊、清潔能源、工業(yè)制造等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。今年上半年，光威復(fù)材實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入12.24億元，歸屬于上市公司股東的凈利潤(rùn)為4.13億元。位于吉林市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的吉林公司，是國(guó)內(nèi)最大的原絲生產(chǎn)企業(yè)，采用二甲基乙酰胺法(DMAc)原絲生產(chǎn)技術(shù)。該公司在大絲束領(lǐng)域推進(jìn)“高品質(zhì)”“通用化”，在小絲束領(lǐng)域推進(jìn)“高性能”“專業(yè)化”，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于航天航空、風(fēng)電、高端裝備、新能源、體育休閑用品等領(lǐng)域。今年上半年，吉林碳谷實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入12.03億元，歸屬凈利潤(rùn)為2.68億元。蘭州有限公司、上海石化則采用硫氰酸鈉法(NaSCN)原絲生產(chǎn)技術(shù)。從產(chǎn)業(yè)規(guī)?？?，2022年，我國(guó)碳纖維總產(chǎn)能為11.2萬(wàn)噸，占全球的43%;我國(guó)碳纖維產(chǎn)量為4.5萬(wàn)噸，占全球的33.3%;我國(guó)市場(chǎng)碳纖維用量為7.44萬(wàn)噸，占全球市場(chǎng)碳纖維總用量13.5萬(wàn)噸的55.1%。從應(yīng)用領(lǐng)域看，2022年，國(guó)際市場(chǎng)風(fēng)電葉片碳纖維用量是3.47萬(wàn)噸，體育休閑領(lǐng)域用量是2.4萬(wàn)噸，航空航天軍工領(lǐng)域用量是2.01萬(wàn)噸。我國(guó)碳纖維最大的應(yīng)用領(lǐng)域是體育休閑，其次是風(fēng)電。2022年，我國(guó)體育休閑領(lǐng)域碳纖維用量是2.3萬(wàn)噸，風(fēng)電葉片領(lǐng)域用量是1.75萬(wàn)噸，航空航天軍工領(lǐng)域用量是7800噸。表示:“未來(lái)，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)要形成均衡化的碳纖維制備技術(shù);要繼續(xù)支持大絲束碳纖維發(fā)展，因?yàn)榇蠼z束技術(shù)可以提升碳纖維制備效率，也可以提升復(fù)合材料的制備效率;要研發(fā)新型原絲制備技術(shù)，比如要進(jìn)一步研究熔融紡絲是否真的不可行、干法紡絲和凝膠紡絲是否可行等技術(shù)問(wèn)題;要研發(fā)高效紡絲技術(shù)，如對(duì)位芳綸的干濕法紡絲技術(shù)是否可以移植到PAN原絲制備中;要研發(fā)徑向結(jié)構(gòu)均質(zhì)化的粗直徑纖維制備技術(shù)，以提高碳纖維制備效率;要確保纖維絲束平穩(wěn)運(yùn)行的裝備技術(shù)，以提高碳纖維品質(zhì)?！边€表示，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展，解決如何“用好”產(chǎn)品是首要問(wèn)題，要持續(xù)解決產(chǎn)品“不好用”“用不好”“用不起”的問(wèn)題。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要有新方向，要重點(diǎn)解決復(fù)合材料環(huán)節(jié)的短板，繼續(xù)推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料性能的均衡化發(fā)展。同時(shí)，創(chuàng)新要?jiǎng)?wù)實(shí)，要瞄準(zhǔn)復(fù)合材料的制備效率和應(yīng)用效益?！案咝阅芑?、高制備效率是碳纖維產(chǎn)業(yè)永恒的主題。需要注意的是，下游用戶總說(shuō)碳纖維貴，但實(shí)際上，下游用戶用的是復(fù)合材料，是復(fù)合材料貴。接下來(lái)，碳纖維企業(yè)在自身實(shí)現(xiàn)低成本化的同時(shí)，還要著眼于如何協(xié)同復(fù)合材料企業(yè)實(shí)現(xiàn)低成本。大家同處于新材料這條產(chǎn)業(yè)鏈上，復(fù)合材料企業(yè)不能老盯著‘碳纖維要更便宜’，自身也要通過(guò)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)為整個(gè)新材料行業(yè)提供利潤(rùn)空間?！毙鞓湃A強(qiáng)調(diào)。

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吉林緊抓碳纖維這個(gè)“牛鼻子”吉林省是我國(guó)最早開展研制碳纖維的省份，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，目前已成為我國(guó)三大碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)聚集地之一。尤其是近幾年，吉林省和吉林市的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展引人矚目。吉林省政協(xié)副主席蔡國(guó)偉介紹，近年來(lái)，特別是今年以來(lái)，吉林省全力打造龍頭企業(yè)，開展關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)生態(tài)，如出臺(tái)支持吉林化纖創(chuàng)建世界一流專精特新示范企業(yè)的若干舉措，舉全省之力推動(dòng)吉林化纖做強(qiáng)做優(yōu)做大;實(shí)施科技成果轉(zhuǎn)化“雙千工程”，開展T700、T800、T1000及100K大絲束碳纖維原絲與碳化技術(shù)，碳纖維油劑、上漿劑及改性樹脂等產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和成果轉(zhuǎn)化;推進(jìn)吉林化纖15萬(wàn)噸碳纖維原絲、6萬(wàn)噸碳纖維等項(xiàng)目建設(shè)，配套開展碳纖維原絲干噴濕法紡絲、碳絲縮短預(yù)氧化時(shí)間、碳化廢氣處理、碳纖維復(fù)材回收利用等生產(chǎn)技術(shù)工藝改造;率先推動(dòng)吉林市碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模躍升、技術(shù)迭代、集群發(fā)展。記者了解到，針對(duì)碳纖維企業(yè)十分關(guān)注的用電成本，吉林省采取“風(fēng)火打捆”模式，給予重點(diǎn)碳纖維企業(yè)政策支持，降低企業(yè)的用電成本。吉林省的碳纖維產(chǎn)業(yè)主要集聚在吉林市。吉林市委書記表示，吉林省明確提出，要舉全省之力支持吉林化纖做大做強(qiáng)，加快培育千億元級(jí)碳纖維產(chǎn)業(yè)集群，并實(shí)行省級(jí)統(tǒng)籌、提級(jí)管理。吉林市把發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)作為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略舉措，將加快實(shí)施吉林化纖40萬(wàn)噸碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈、1萬(wàn)噸高端碳纖維材料等重點(diǎn)項(xiàng)目，全面進(jìn)軍碳纖維復(fù)材領(lǐng)域，開辟大絲束碳纖維與汽車輕量化、航空航天、國(guó)防軍工、新能源、冰雪裝備等領(lǐng)域融合發(fā)展的新賽道，打造世界最大的碳纖維產(chǎn)業(yè)基地。吉林集團(tuán)有限公司位于吉林市，已形成了“丙烯腈-丙烯腈基原絲-碳絲-下游制品”的完整碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈條，被國(guó)家納入創(chuàng)建世界一流專精特新示范企業(yè)名單，是吉林省唯一入選的地方企業(yè)。在吉林化纖旗下一個(gè)碳纖維碳化車間，一排排白色的原絲整齊排列在車間這一頭，經(jīng)過(guò)碳化工序后，黑色的碳絲從車間另一頭下線，車間長(zhǎng)度達(dá)幾百米。該公司董事長(zhǎng)介紹，碳纖維是公司近年來(lái)迅速發(fā)展和壯大的新型產(chǎn)品系列。目前公司的原絲產(chǎn)能為16萬(wàn)噸/年，碳纖維產(chǎn)能達(dá)4.9萬(wàn)噸/年，正在向通用復(fù)材領(lǐng)域發(fā)展。吉林化纖的原絲、碳絲產(chǎn)量居行業(yè)前列，碳纖維板塊產(chǎn)值自2020年以來(lái)已連續(xù)3年實(shí)現(xiàn)翻番。在產(chǎn)學(xué)研合作方面，吉林化纖與長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)聯(lián)合建設(shè)了吉林省碳纖維產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心?！敖酉聛?lái)，公司將繼續(xù)推進(jìn)碳纖維戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展。在碳纖維板塊，公司將堅(jiān)持產(chǎn)業(yè)鏈一體化立體建設(shè)，按照原絲、碳化、復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈一體化的思路，堅(jiān)持兩束三全雙路線的發(fā)展定位，25K、35K、50K產(chǎn)品在生產(chǎn)技術(shù)上均日臻成熟，小絲束在特殊領(lǐng)域基本上是定制化?！闭f(shuō)。“未來(lái)，吉林省將牢牢抓住自主創(chuàng)新這個(gè)牛鼻子，不斷豐富拓展應(yīng)用場(chǎng)景，加快打造較為完善的產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)集群，材料產(chǎn)業(yè)、碳纖維產(chǎn)業(yè)應(yīng)用融合等基地，推動(dòng)碳纖維產(chǎn)業(yè)成鏈、成群、成勢(shì);培育世界一流專精特新示范企業(yè)，提高碳纖維產(chǎn)業(yè)的吉林影響力?！辈虈?guó)偉說(shuō)。

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結(jié)構(gòu)和功能一體化是方向全球碳纖維技術(shù)創(chuàng)新有哪些新方向，有哪些具有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域值得關(guān)注？德國(guó)亞琛大學(xué)紡織技術(shù)研究院助理研究員德尼茲·耶西爾尤特介紹，碳纖維復(fù)材的回收利用目前大多是進(jìn)行降級(jí)回收，將其加工成短纖維。隨著人們對(duì)儲(chǔ)氫瓶及其回收利用越來(lái)越感興趣，已經(jīng)能從中回收高質(zhì)量的連續(xù)纖維。這運(yùn)用了基于熱解或溶劑分解的工藝，后者還可以對(duì)基質(zhì)進(jìn)行回收利用。然而，缺乏表面活性的再生碳纖維對(duì)基質(zhì)的黏附力較低，且未上漿的纖維可能會(huì)在退解中受損。為了解決這些問(wèn)題，亞琛大學(xué)開發(fā)了一種新方法，通過(guò)優(yōu)化碳纖維的表面處理和上漿，降低碳纖維的回收損失，并提高回收效率。德國(guó)亞琛大學(xué)紡織技術(shù)研究院助理研究員劉子文介紹了一種新方法:利用低成本的高錳酸鉀或氮?dú)庾鳛轭A(yù)處理介質(zhì)，可以將碳纖維的穩(wěn)定化時(shí)間縮短20%、能源成本降低20%、纖維損耗減少5%，縮短將聚丙烯腈熱轉(zhuǎn)化為碳纖維的工藝時(shí)間，提高轉(zhuǎn)化效率，從而降低碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中的能耗和成本。在應(yīng)用方面，隨著性價(jià)比的持續(xù)優(yōu)化，碳纖維在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用空間正在逐漸打開。中國(guó)一汽研發(fā)總院高端汽車集成與控制全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任介紹，汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要途徑。車重每減少100千克，二氧化碳排放量可減少5克/千米。在提升汽車競(jìng)爭(zhēng)力方面，輕量化能帶來(lái)汽車綜合性能的提升。如果整車降重10%，續(xù)航里程就會(huì)提高10%，制動(dòng)距離會(huì)減少3%-4%，減速時(shí)間會(huì)減少6%-8%，輪胎壽命會(huì)提高7%，會(huì)提高汽車整體的操控性能、耐久性能、電池能量密度等?！疤祭w維復(fù)材以其輕質(zhì)高強(qiáng)、設(shè)計(jì)集成度高和抗疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車深度輕量化的理想材料。碳纖維復(fù)材在汽車上的應(yīng)用，逐漸由以前的賽車、超級(jí)跑車向中高端乘用車延伸，應(yīng)用部件由覆蓋件、裝飾件向結(jié)構(gòu)件和次結(jié)構(gòu)件拓展，應(yīng)用方式也由原來(lái)的小批量生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)向大批量自動(dòng)化生產(chǎn)工藝?！比~福恒說(shuō)。比如，以前，蘭博基尼座艙、前唇和尾翼，邁凱倫座艙、發(fā)動(dòng)機(jī)罩應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料;現(xiàn)在，寶馬i3、寶馬7、奧迪A8在整體式車身、車身結(jié)構(gòu)件、車身次結(jié)構(gòu)件等方面都實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料的自動(dòng)化量產(chǎn)工藝。其中，奧迪A8的碳纖維后背板采用福伊特的自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)生產(chǎn)，配合全自動(dòng)化的成型和裝配技術(shù)，單天的產(chǎn)能達(dá)到300件。一汽在這方面也正在展開探索。葉福恒介紹，基于一款傳統(tǒng)的燃油車型，一汽將其承載式結(jié)構(gòu)車身設(shè)計(jì)成碳纖維成員艙和鋁車架組成的非承載式車身。一汽將碳纖維復(fù)材用于包裹架，通過(guò)集成化設(shè)計(jì)，將一款車的包裹架和包裹架隔板集成為一體，實(shí)現(xiàn)降重約40%。針對(duì)一款紅旗車型，一汽還對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋進(jìn)行了碳纖化(碳?；旌?技術(shù)開發(fā)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)罩的重量由此前的23.1千克降至10千克，使行李箱蓋的重量由此前的13.4千克降至6.8千克。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年，在國(guó)際市場(chǎng)和我國(guó)市場(chǎng)，碳纖維在汽車領(lǐng)域的用量分別為9500噸、2400噸。“多材料混合用材將助推碳纖維在汽車上的應(yīng)用。隨著預(yù)期成本不斷降低，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，碳纖維在汽車上的用材占比和用量有望呈現(xiàn)上升趨勢(shì)?！比~福恒說(shuō)。儲(chǔ)氫瓶也是碳纖維很有潛力的應(yīng)用增長(zhǎng)點(diǎn)。北京公司技術(shù)總監(jiān)趙亮介紹，目前應(yīng)用最廣泛、最便捷的車載儲(chǔ)氫技術(shù)是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫。綜合考慮壓縮能耗、續(xù)航里程、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資等因素，世界各國(guó)均將70MPa高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫列為發(fā)展目標(biāo)和研究重點(diǎn)。纖維的選擇是決定氣瓶性能的關(guān)鍵。碳纖維全纏繞結(jié)構(gòu)具有重容比小、單位質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度高等優(yōu)點(diǎn)，并且，采用纏繞線形的細(xì)化設(shè)計(jì)，可以提升氣瓶的綜合性能。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2022年，國(guó)際市場(chǎng)上壓力容器領(lǐng)域的碳纖維用量是1.