国内外碳纤维及其复合材料产业现状及发展趋势

张定金 陈虹 张婧

自20世纪60年代碳纤维首次商业化以来，碳纤维产业规模不断扩大，产品品质不断提高，2014年全球碳纤维产能（365天连续生产12K/24K碳纤维丝束计算）已达到12.6万t。尽管碳纤维与传统的玻璃纤维在价格上仍不能相比，但高性能碳纤维以其高比强度、高模量、可设计、防腐蚀和抗疲劳等突出特点，具有玻璃纤维所不能比拟的优势，已成为发展先进武器装备的关键材料，并在航空航天、国防军工、风能产业、土木工程、体育休闲等领域得到了广泛应用。

当前，国际复合材料产业呈现蓬勃发展态势，据估计，未来5年先进复合材料将以每年5%的增速发展，而随着民用航空、汽车工业等领域的快速发展，全球高性能碳纤维需求量的年增幅可达10%，亚太地区将会有更高的增长率，即碳纤维及其复合材料产业将面临前所未有的发展空间和机遇。

因此，在目前碳纤维产业快速发展的关键时期，更应该认清国际碳纤维产业的发展形势、对照国外先进企业找差距找问题，通过理性思考寻求解决途径，适时把握发展机遇，落实行动、注重实效，努力推进国内碳纤维及其复合材料产业的健康快速发展。

一、国外碳纤维产业现状及发展趋势

1.产业方面

根据前躯体原料的不同，碳纤维可分为聚丙烯腈基（PAN）、沥青基和粘胶基碳纤维等。由于粘胶基碳纤维在制备过程中会释放出毒性物质二硫化碳，且工艺流程长、生产成本高、整体性能不高，因此目前在国际碳纤维产业领域，前2种碳纤维获得了更大规模的生产和应用。其中，PAN基碳纤维又占据绝对优势，国际市场占有率超过90%。PAN基碳纤维的9大生产商包括：日本东丽工业株式会社（以下简称“东丽”）、日本东邦化学工业株式会社（以下简称“东邦”）、日本三菱丽阳株式会社（以下简称“三菱丽阳”）、美国赫氏有限公司（Hexcel）、美国氰特工业公司（Cytec）、美国卓尔泰克公司（Zoltek，已被东丽收购）、台湾塑料工业股份有限公司（以下简称“台塑”）、土耳其阿克萨集团（AKSA）和德国西格里碳素集团（SGL）。沥青基碳纤维的生产和应用居其次，主要生产企业3家，分别是Cytec、三菱丽阳和东丽。

PAN基碳纤维分为小丝束（1～24K）和大丝束（36K及以上）2类。全球小丝束碳纤维市场主要被东丽、东邦、三菱丽阳3家公司所垄断，而来自中国、土耳其和韩国的企业，正不断扩充小丝束的全球产能，同时也降低了3家日本公司的市场份额。

大丝束碳纤维生产商主要有Zoltek、SGL和三菱丽阳3家。另外，中国蓝星（集团）总公司英国分公司拥有大丝束碳纤维原丝的供应能力，Cytec于2014年与德国Dormagen的腈纶纤维生产商DralonGmbH公司合作开展低成本大丝束碳纤维的研制开发。预计在未来10年中，其他制造商也会陆续加入大丝束碳纤维生产领域。

为满足高速发展的航空航天与汽车市场对碳纤维的需要，几乎所有的碳纤维巨头都宣布了扩产计划。例如，东丽拥有以日本本土为核心的日美法韩4个生产基地，目前已形成11 000～12 000t/a的T700S和4 500t/a的T800碳纤维生产能力，并宣布PAN基碳纤维的总产能于2015年达到27 100t，2020年扩大至50 000t。另外，Hexcel在欧洲大幅度扩产，三菱在美国与本土扩产，Cytec已经基本完成美国的双倍产能扩产计划，SGL也在美国接连扩产。各企业的碳纤维生产已基本实现了全球布局，为进一步实现从原丝到下游复合材料制品的全产业链一体化协调发展奠定了硬件基础。

2.技术方面

目前，国外高强、高强中模碳纤维的产业化制备技术成熟，规模化、自动化程度高，关键核心技术掌握在日、美等国手中。其中，东丽凭借其强大实力研制并形成了包括T300、T700、T800、T1000等在内的高强系列和包括M35J、M40、M40J、M55J、M60J、M70J等在内的高模和高模高强系列产品，一直占领着碳纤维技术的制高点，令对手望其项背。美国Hexcel经过多年的研究，在IM9高强中模碳纤维基础上，研制出IM10碳纤维，主要力学性能超过日本东丽T1000，并成功应用于大型客机。IM10推出2年半后的2014年初，东丽宣布推出T1100碳纤维，重新夺回碳纤维技术的领先地位。

目前，低成本技术已成为碳纤维及其复合材料发展的迫切需求和重要趋势。为了进一步推进行业的快速发展，国外各碳纤维生产商正开展碳纤维产品规模化、稳定化和低成本化生产技术方面的研究。

二、国内碳纤维行业发展现状

1.产业技术现状

在国家科技和产业化示范计划支持下，近10年来我国碳纤维制备与应用技术，实现了从“无”到“有”的转变，出现了前所未有的产业化建设高潮，初步建立起国产碳纤维制备技术研发、工程实践和产业建设的较完整体系，产品质量不断提高，碳纤维及其复合材料技术发展速度明显加快，有效缓解了国防建设重大工程对国产高性能碳纤维的迫切需求，部分型号用碳纤维及其复合材料的国产化自主保障问题基本解决。

目前，T300级碳纤维已实现千吨级产业化，产品成功应用于航空航天和武器装备，民用市场正在推广；T700级碳纤维千吨级生产线已经建成，产品进入应用考核；国产T800级高强中模碳纤维吨级线建成并已批量生产；高模及高模高强碳纤维的产业化仍为空白，其工程化制备关键技术急需突破；更高等级的高强中模和高强高模碳纤维制备关键技术亟待攻关。

截至2014年底，我国已拥有碳纤维生产企业近40家，理论设计总产能达到1.96万t。已建成6条千吨产能（含配套的原丝生产能力）、7条500t产能的碳纤维生产线（含配套的原丝生产能力），拥有千吨级以上规模生产线的企业4家，五百吨级的企业（或企业联合体）5家，主体产品为12K及以下的小丝束PAN基碳纤维。

据统计，2007年以来，国内碳纤维产量逐年增加，从2007年的约200t，增加到2014年的约2 600t，但产能釋放能力弱的问题依然非常突出，2014年的碳纤维实际产量不足设计产能的20%。一方面，我国碳纤维企业普遍开工不足、设备闲置、产能浪费，生产成本居高不下；另一方面，受国际碳纤维行业巨头的蓄意压制，碳纤维售价一跌再跌，甚至跌至成本以下，碳纤维企业面临着生产越多亏损越多的局面。目前，我国碳纤维企业长期面对“内忧外患”困扰，几乎全部处于亏损状态，大部分企业只能减产甚至停产，生存状况不容乐观。

3.能源领域

随着风电叶片大型化的不断推进，碳纤维复合材料的应用也越来越多。国外风电叶片制造商早已在大型叶片的制造中规模化使用了碳纤维，同时碳纤维叶片的制造也真正实现了全产业链的共同进步。碳纤维制造领域，东丽、Zoltek等企业，针对风能市场的特殊需求纷纷推出专用的碳纤维产品，如24K T620s和50K Panex 35；中间制品领域，Gurit、Hexcel、ACG等中间产品制造商开发了叶片专用碳纤维预浸料，如SparPregTM、HextoolTM和DformTM；在叶片成型工艺方面，除了改良的预浸料技术——低压中温预浸料真空袋法，还开发了新型真空导入成型技术——液体成型工艺。目前，国外至少有6家大型风电企业正在采用碳纤维复合材料或碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料生产大型或特大型风机叶片，其中起步较早、技术较成熟、应用较多的是丹麦Vestas、美国GE和西班牙Gamesa等公司。

国内目前仅有连云港中复连众复合材料集团有限公司（以下简称“中复连众”）和中材科技风电叶片股份有限公司（以下简称“中材叶片”）实现碳纤维在风电叶片中的规模化应用。其中，中复连众自2009年开始碳纤维在风机叶片上的应用研究，并于2012、2013年分别实现了进口和国产碳纤维主梁在75m/6MW叶片上的应用，同时完成了叶片的全尺寸静力和频率测试，目前正在准备挂机。中复连众同期开展了风机叶片用国产碳纤维复合材料理化性能、力学性能、工艺性能方面的研究，探索出国产碳纤维应用的设计要求和制造工艺，为推动国产碳纤维在大型风机叶片领域的应用奠定了坚实的基础。中材叶片于2011年在Sinoma 56m/3.6MW叶片的主梁上首次采用碳纤维预浸料，试制生产的56m碳纤维叶片顺利通过了静力实验，随后成功生产了22套56m/3.6MW风电叶片出口美国。

总体上讲，国内碳纤维在风电叶片上的规模化应用尚处于尝试阶段，叶片的设计、结构验证、长期安全性验证等问题都没有形成完善的解决方案。现阶段碳纤维的供应主要来源于国外公司，以碳纤维预浸料为主，供应渠道受限，也是影响国产碳纤维规模化应用的另一主要原因，因此有必要继续开展国产碳纤维在大型风电叶片上的应用研究。

4.体育休闲领域

体育休闲领域是碳纤维复合材料的重要应用领域。碳纤维在该领域的应用主要集中在高尔夫球棒、钓鱼杆和球拍3个产品类型。近年来，自行车、去混球杆、滑雪杆等新兴产品的碳纤维用量也在不断增长。

我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材，目前已与美国、日本和中国台湾并列成为高尔夫球棒的主要产地。另外，钓鱼竿、网球拍、鱼线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等产品也是碳纤维在我国的主要用途。

5.碳纤维复合芯导线领域

碳纤维在电力输送领域的研究起步于20世纪90年代，2002年，美国CTC公司开发出碳纤维复合材料芯棒之后才开始规模化应用。目前，美国CTC公司的整体技术处于国际领先水平，但欧洲、亚洲、南美洲的20多个国家、200余条新建和改造线路中也都开展了碳纤维复合芯导线的应用，挂网总长度超过7 000km（架设导线总长约为20 000km），电压等级覆盖了13.6k～550kV。

我国碳纤维复合芯导线整体技术水平与国外相当。2007年，远东电缆有限公司、河北硅谷化工有限公司、连云港中复连众复合材料集团有限公司等企业开始自主研制碳纤维复合芯及导线。目前，国内碳纤维复合芯及导线生产厂家接近20家（已有供货业绩的有5家），国内年预期产能超过50 000km。各主要生产厂家制备的碳纤维复合芯导线技术指标均满足碳纤维复合芯架空导线技术要求并已通过所有型式试验验证，技术性能已达到国外同类型产品的技术水平。

国内外复合芯制造厂家采用日本东丽或东邦T700级碳纤维，T700级碳纤维作为复合芯关键材料，供应及价格一直受制于日本，高昂的碳纤维价格是限制复合芯导线大范围推广的主要原因。

2014年7月，中復碳芯将中复神鹰T700级碳纤维SYT45试用于碳纤维复合芯导线，并在常州35kV邹区线上成功挂网，运行良好。国产碳纤维在复合芯导线的实际应用方面取得了突破性进展。

6.车用碳纤维复合材料

在各国政府的大力支持下，国外各大碳纤维制造商纷纷与汽车巨头联手，发展汽车用碳纤维复合材料设计制造技术，已经形成“碳纤维、复合材料供应商+零部件供应商+主机厂”的联盟式产业化布局，并突破了车用碳纤维复合材料零部件及车体的规模化、自动化制造技术。最成功的实施案例是德国宝马的i3电动概念车，宝马公司为这款车型建立了一条包括碳纤维原丝、碳丝、编织布、复合材料零部件、主机装配等各环节的碳纤维复合材料车身产业链，日产量可达100辆。另外，日本东丽研发出“TEE WAVE AR1”电动汽车，共用碳纤维复合材料160kg，碳纤维车身成型周期10min/套。日本东邦与丰田合作成立“复合材料创新中心”生产LEA跑车。美国特斯拉公司推出全球首款Roadster纯电动跑车，整车质量为1 200kg，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料车身，成型周期为20min/套，年生产量为1 500辆左右。

总的看来，国外在碳纤维复合材料汽车轻量化产业方面已经初具规模，处于复合材料发展技术的前沿，主要核心制造技术掌握在少数几个大公司手中，发展已呈现逐步加快的趋势。

而目前，我国碳纤维复合材料在汽车工业中年用量比例还很小，应用较为成熟的技术大部分集中在非连续纤维复合材料成型工艺上。在连续纤维复合材料的快速成型技术方面，重点突破了以热塑性复合材料快速热压成型和快速树脂流动成型为代表的低成本连续碳纤维复合材料部件制造关键技术，并实现了部分装备的连续化自动化生产，实现了连续碳纤维复合材料片材、板材及部分部件的连续自动化制备，初步建立了车用复合材料部件生产示范线。但是，由于缺乏与国产碳纤维匹配、满足汽车生产节拍的快速固化树脂，尚未形成研究、设计、开发、制造、装备、检测、应用评价与推广应用一条龙产业链，同时碳纤维复合材料部件及整车验证、装配技术、质量控制等方面与国外差距巨大，急需进行进一步技术攻关。

另外，随着我国工业化进程的不断推进，诸如碳纤维连续抽油杆、新型储能电池、采油钻井平台等新兴应用领域对碳纤维的需求量也在不断扩大，碳纤维及其复合材料的发展前景一片大好。

四、结语

综上所述，我国碳纤维产业正处在高速发展的关键时期，在蓬勃发展的国际碳纤维产业大背景下，我国在重大工程、一般工业和新兴产业领域对高性能碳纤维产品也提出了迫切的需求。国内碳纤维企业应进一步明确自身的创新主体地位，面向国防军工、民用航空、人造卫星等航空航天高端装备制造业，建筑补强、海洋工程、石油勘探等传统产业升级领域，以及新能源汽车等战略新兴产业，分阶段逐步开展不同品系碳纤维产品的产业化关键技术攻关、成本质量控制、工业应用示范和重点领域应用评价，开发出符合我国实际应用需要的高性能、高稳定性、规模化、低成本生产技术和多品系碳纤维产品，真正实现我国碳纤维产业的快速健康发展。国内碳纤维及其复合材料产业发展，任重道远。