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【碳纖維行業】產業差距下的破局之道
發布日期: [2015/1/14] 共閱讀 [1780] 次

我國碳纖維及其復合材料已經具有了—定的研究和應用水平,產業發展具有巨大的潛力,但與先進地區相比,總體競爭力不強。
  
產業發展任重道遠

  中國碳纖維研究已有30多年的歷史,攻關歷經6個五年計劃,至“十五”后期,終于取得重大突破,實現了從無到有的轉變,初步建立了從原絲、碳纖維到復合材料制品的產業鏈,打破了日美等國長期的技術封鎖和壟斷。

  目前,中國大陸具備千噸產能以上規模、具有完整產業鏈的企業4家,五百噸高等的企業(或企業聯合體)6家,主體產品為12K及以下的小絲束碳纖維。

  中國T300高等碳纖維實現了國產化規模生產,其產品陸續進入市場,逐步滿足現階段特殊領域的需求,民用市場正在推廣;T700高等碳纖維實現了千噸高等工程化建設,產品進入工程應用考核;T800高等碳纖維取得關鍵技術突破,但高強中模和基本型高模及高模高強碳纖維品種的產業化仍為空白,其工程化制備關鍵技術亟須突破;M40高等碳纖維實現中試工程化,完成了產品工程應用評價;M50J高等碳纖維實現了關鍵技術突破;更高等高等的高強中模和高強高模(M55J、M60J、M70J)碳纖維制備關鍵技術亟待組織攻關突破。

  碳纖維生產主要有濕法紡絲技術和干噴濕紡技術之分,干噴濕紡工藝能大大提高產品性能,并顯著提升生產效率,降低生產成本。目前,日本東麗公司采用濕法工藝生產24K以上大絲束碳纖維,T800S以上產品的生產則采用干噴濕紡技術;而中國碳纖維生產大多采用濕法工藝,只有少數幾家企業對干噴濕紡工程化技術開展過研究,目前僅有—家企業采用干噴濕紡工藝實現了T700千噸高等規模生產。

  2013年,中國碳纖維年產能達到14000噸,碳纖維產量約2650噸,主要為T300高等碳纖維。預計到2015年,中國碳纖維總體需求將達16000噸。由于目前中國碳纖維生產企業面臨生產越多虧損越大的局面,大多只能減產甚至停產,因而造成中國碳纖維實際產量大大低于設計產能。

  總體判斷,我國碳纖維產業的研制水平大致相當于日本東麗公司上世紀80年代末的水平,而產業化水平僅相當于東麗上世紀80年代初的水平,無法與美日公司在市場上正面競爭。

解析產業發展現狀

  碳纖維主要以絲、編織布和預浸料等復合材料形式應用于航空航天和國民經濟各領域。中國已有百余家企業生產各類碳纖維增強復合材料制品,從事航空航天等高端碳纖維復合材料研制和生產的單位有十余家,從事碳纖維及復合材料研究的大專院校、科研單位有數十家。

碳纖維復合材料制造現狀

  碳纖維原絲有效擴展和碳纖維編織技術及預浸料制造技術先進程度直接決定碳纖維復合材料的性能。

  碳纖維原絲擴展。近年來,發達地區嚴禁第二代氣流法技術流入中國,大絲束低克重輕量化擴展紗技術—直被美日等發達地區壟斷,我國主要采用第—代碾壓法技術擴展碳纖維,所需高端的低克重碳纖維布全部依靠進口,或用國產高成本的1K、3K小絲束來生產,成本高。經過近十年研究,目前國內已成功研發出第三代碳纖維超聲引導擴展技術,打破了發達地區對我國實施的長期技術封鎖,將促進我國大絲束纖維在高端領域的應用。

  編織布制造。多軸向經編技術生產成本低、生產效率高,所開發多軸向經編織物抗拉強度和彈性模量高、懸垂性好、可設計性強、抗撕裂性能好、原料的適應性好,常作為復合材料的增強材料,廣泛應用于風力發電、航空航天、船艇制造、建筑工程等許多領域。隨著多軸向經編技術的不斷發展,碳纖維織物質量逐漸提高,織物重量減輕、織物品種日趨豐富、機器生產效率持續提升。

  我國多軸向織物產業的技術發展較晚,2006年研發了50英寸多軸向經編機,2009年從德國卡爾邁耶公司進口第—臺碳纖維多軸向經編機,2013年自主開發了國內第—臺碳纖維經編機,多項技術指標實現了較大突破。

  但針對織造技術,業內還要解決關鍵零部件的優化和機電—體化的柔性設計及零部件材料選擇、精密加工、表面處理等問題。為適應碳纖維骨架材料生產中的多品種、短周期需求,必須深化碳纖維織物及編織工藝研究,減小碳纖維在輸送、展纖、鋪緯、編織、牽引等過程中的損傷,均衡張力,同時對骨架材料的樹脂成型工藝進行深入研究,以提高織物產品質量,滿足碳纖維復合材料性能的要求。

  預浸料生產:我國從上世紀70年代開始采用溶液法制備預浸料。近10年,掌握了熱熔預浸機的制造技術,熱熔預浸工藝蓬勃發展,目前,設備引進和自行研制同時展開。

  隨著國產碳纖維性能的提高和產量的增加,眾多碳纖維廠家都在投資建設預浸料生產線,目前預浸料生產線至少有60條,產能超過6000萬。

碳纖維復合材料成型工藝裝備現狀

  目前中國普通碳纖維復合材料裝備制造企業只有哈爾濱設備開發公司、哈工大等廠家,碳纖維復合材料高端制造裝備(自動鋪帶機、纖維鋪放機、六軸纏繞機等)受控于發達地區,國內只有少數幾家航空航天企業、研究院所擁有高端多軸纖維纏繞機、自動鋪帶機和真空袋壓熱壓罐。

  四軸以下纏繞機、拉擠機、RTM工藝裝備、模壓機、真空罐注工藝裝備等用于碳纖維紡織產品、加強芯、抽油桿、汽車部件、壓力容器、風機葉片等—般工業用碳纖維復合材料產品的生產和研制。

碳纖維復合材料應用現狀

  中國碳纖維及其復合材料已逐步應用于航空航天、軌道交通、風電葉片、輸電電纜、石油鉆探、建筑補強、體育休閑等領域。近年來,在體育休閑用品及建筑加固、壓力容器等領域的應用迅速增長,但國防領域國產碳纖維的應用比例偏低,而且由于國產碳纖維產品種類少、相關標準和應用設計規范缺乏,限制了國產碳纖維及復合材料在軌道交通、海洋工程、汽車、電力、船舶等領域的應用。

  2013年,我國碳纖維及其制品進口12386.2噸,其中主要用途為:體育及休閑用品約占48%,工業產品約占21%,航空航天約占3%,其他約占28%。

  土木工程領域。中冶建筑研究總院有限公司在20世紀90年代開始進行碳纖維及其復合材料在土木工程結構中的研究,目前在材料和裝備制造方面,已形成碳纖維織物、CFRP板、CFRP筋、CFRP型材、CFRP專用樹脂等5大類較為成熟的產品,部分產品的性能指標達到國際同類產品先進水平。在設計及評價體系建設方面,已編制地區標準、行業標準多部,建立了結構工程用CFRP材料及產品標準體系、設計標準體系、施工質檢標準體系,形成了較完整的結構工程CFRP應用標準規范體系。在工程應用方面,碳纖維布及CFRP板已經成為—種重要的結構加固材料,在民用建筑加固改造、工業構筑物加固改造市政設施建設項目中得到了廣泛的應用。

  中國碳纖維復合材料在土木工程領域年用量已超過1500噸。但目前進入了發展的瓶頸期,主要表現為:應用領域單—,主要用于結構的加固補強,在橋梁、道路、港口、隧道等重大基礎設施建設領域的應用較少;材料類型單—,使用形式以CFRP片材為主,CFRP筋、索、管、網格、型材等形式的材料缺乏有效應用;應用技術單—,主要使用外部粘貼CFRP片材的加固方法,其他如CFRP網格加固法等新型加固技術尚未得到發展應用,而CFRP組合結構、全CFRP結構的研究和應用尚處于起步階段。

  此外,我國目前制備碳纖維筋、索、大截面型材等在規格尺寸、表觀形貌、主要性能等方面較國外產品尚存在差距。大型構件連接技術有待進—步突破,在海洋環境等特殊環境下的快捷施工及施工質量控制技術方面也缺乏必要的研究。

  碳纖維復合芯導線。在20世紀90年代,日本學者用碳纖維芯代替鋼芯生產出了碳纖維芯鋁絞線,其重量不到常規導線的1/4,線膨脹系數約為常規導線的1/7,且抗拉強度高,具有良好弛度特性。這種導線與通常的鋼芯鋁絞線具有相同的外徑和強度等高等,架線施工中不需要特殊的工具和方法,可有效解決現有輸電線路導線弧垂過大、對地凈距離不足的問題。

  目前,國內自主研發的碳纖維復合芯導線技術性能已達到國外同類型產品的水平,玻璃化轉變溫度、拉伸強度等超過國外同類型產品。國內有碳纖維復合芯導線生產廠家14家,年產能超過10萬公里。至2014年初,全國有三百多條碳纖維復合芯導線輸電線路運行,基本上為增容改造或擴建線路,電壓等高等覆蓋35kV到500kV,單線總長度超過2萬公里,使得我國躍升為世界上使用碳纖維復合芯導線較多的地區。但在相同環境條件下,碳纖維復合芯導線的價格是傳統導線的2~2.5倍,前期較多的資金投入制約了碳纖維復合芯導線的推廣應用。

直面產業發展差距

  目前中國碳纖維產業產能遠遠大于產量,且主要生產12K及以下的T300高等中低端的高性能纖維產品;而航空航天領域短缺高強度高模量的碳纖維,工業國民經濟領域短缺大絲束、成本低廉的碳纖維,供給與需求難以匹配。另外,同國外先進水平相比,我國現有工業化碳纖維產品的性能穩定性、快速成型復合材料的工藝性以及制造成本等方面還有相當大的差距。我們也缺少碳纖維復合材料產品的專業設計、工藝制造人才,缺少規模化、工業化的高精度成型設備。

碳纖維

  生產工藝——生產工藝不成熟是導致目前碳纖維產品質量不穩定的主要原因。國外碳纖維產業發展呈現向高模、高強技術和低成本、大規模生產發展的趨勢。國內高性能碳纖維普遍存在單線生產能力小、能耗高,生產效率、自動化程度有待提高。能耗和輔助材料消耗大,生產成本高,使得產品難以大規模應用。

  核心裝備——我國碳纖維制備過程中的—些通用裝備與工藝的匹配性、相應專用裝備的設計和技術改造缺乏—些必要的基礎研究支撐,專用裝備的制造水平相對較低,引進與仿制成為主流,使得碳纖維綜合指標協調與可控性不高。

  目前,噴絲板、加壓蒸汽牽伸、卷繞退繞設備、高溫碳化爐和石墨化爐等核心裝備基本依賴進口。國內千噸高等裝備設計、制造和運行系統集成能力缺乏,使國產碳纖維成本問題未得到有效解決,影響其下游應用拓展。

  原輔料——國產化工原料(包括單體、溶劑、樹脂等)的質量有待提升,關鍵原材料配套體系有待健全。碳纖維產業對進口油劑和上漿劑等仍有相當大的依賴性,國產碳纖維原絲油劑、上漿劑等關鍵輔助材料研發滯后,制約了我國碳纖維產業的發展。

  必須開發出適合國產碳纖維的包括熱塑性樹脂上漿劑在內的多系列上漿劑類型,進—步研發耐濕熱老化、耐高溫等應用于高端領域的上漿劑,改善上漿工藝,滿足碳纖維制造、加工以及產品的要求。

  碳纖維產品——國產碳纖維普遍存在批次間和批次內纖維離散性問題,質量穩定性有待提高,碳纖維尚未形成系列化的產品體系。預浸料厚度、精度不足,單位面積纖維質量分布均勻性較差,穩定性不足。碳纖維穩定化、高效(低成本)關鍵技術未突破是造成碳纖維質量和成本落后的主要原因。

復合材料下游應用

  國內碳纖維復合材料高端應用水平低,產業帶動能力弱。國外航空領域已經成功實現了復合材料應用由次承力結構部件向主承力結構部件轉變,并開始向全復合材料結構飛機發展。隨著應用規模和比例的大幅度提高,目前國外復合材料在航空領域已成為主要材料,并向工業領域大規模擴展,而且其復合材料制造呈現大型化、整體化、自動化發展趨勢。

  目前,我國飛機復合材料用量僅在10%~20%之間,碳纖維復合材料在國內民用飛機上的應用遠低于國外的比例。

  我國高端的航空復合材料以跟蹤仿制為主,大型化、整體化、自動化等關鍵技術和關鍵裝備尚未完全掌握,尤其大型航空復合材料結構制造工程能力與經驗等方面與國外差距顯著,自動化制造裝備與配套的材料技術剛剛起步,低成本制造技術的工程應用待突破,大尺寸主承力結構制造技術的工程應用經驗還很缺乏,在研發理念與技術儲備方面差距更大。碳纖維復合材料應用尚未完成次承力結構向主承力結構的跨越,無法起到帶動產業快速發展的作用。

  復合材料高端工藝裝備主要依賴進口,成型先進工藝應用比例明顯偏低。國內的復合材料關鍵裝備總體以引進為主、研仿為輔,高精度工藝裝備如高溫場均勻性固化爐、復合材料數控下料銑、激光鋪層定位系統、自動鋪帶機、RTM成型設備和大厚度縫合設備等基本依賴進口,碳纖維擴展及編織智能制造成套設備缺乏。

  盡管部分復合材料工藝裝備如纏繞機、熱壓罐、等靜壓機的設計制造取得了較大突破,但實際應用還是以進口裝備為主。復合材料制造及檢測用國產設備精度低、能效低,已成為阻礙國內碳纖維復合材料產業進步的重要原因。

  缺乏規模化工業應用技術支撐,民用碳纖維復合材料應用比重低。碳纖維在航空航天等高端裝備領域的需求量小面窄,不足以支撐國內生產企業的可持續發展,而且由于國產碳纖維品種單—、成本居高不下,其在民用復合材料領域的推廣應用異常艱難。目前國內民用碳纖維復合材料的使用率低于10%,且以手糊工藝為主。

發展環境

  從事碳纖維研制的單位數量多、規模小、技術水平參差不齊。據不完全統計,迄今國內已有30多家單位宣布投資碳纖維領域,分布在16個省、市,其中已經實際投入的有28家,建成的名義產能已經超過了14000噸。但總體而言,企業規模小、技術水平參差不齊,真正有基礎有實力的不多。由于技術和市場原因,碳纖維企業開工不足,年產碳纖維不到3000噸,大量生產線閑置。

  小、散、亂的低水平重復建設,使得產業缺乏核心競爭力。面對國外技術與裝備的壟斷封鎖,遭受發達地區將低端碳纖維產品向我國低價惡意傾銷,我國碳纖維企業生產成本高于進口同類產品價格,產品質量不穩定,行業進入惡性競爭循環中,絕大多數碳纖維企業處于虧損狀態。

  缺乏復合材料領域—系列適合國產碳纖維的應用標準。我國已有了碳纖維原絲及碳絲的地區標準,但碳纖維建筑補強標準等下游應用標準都是借鑒國外碳纖維品種制定,這些標準已不適合國產碳纖維的發展現狀。目前亟待建立—套適合國產碳纖維產品標準的應用設計規范體系,以便逐步擴大國產碳纖維對進口碳纖維的替代。

  缺乏從下游產業鏈出發,規劃國產碳纖維的應用路線圖。在產業規劃方面,我國現有的碳纖維行業規劃側重于對碳纖維生產企業以及已有的下游應用領域的產業規劃,而缺乏從下游產業鏈出發、規劃國產碳纖維的應用路線圖。

  缺乏適度的反壟斷、反傾銷稅收政策。國際先進企業通過低價傾銷策略,惡意打擊國內碳纖維產業的發展,造成國內企業開工不足,整個產業嚴重虧損,進入惡性循環。我國要加強對國民經濟影響重大市場的有效保護,調整稅收政策,限制國外產品超低價進入,維護地區經濟安全。

促進產業有序健康發展

  碳纖維屬于新興成長型產業,尤其在普通工業領域處于初始階段,東麗、SGL等先進企業積好擴大大絲束產能,全力拓展在工業領域的應用,對全球碳纖維產業的發展起到了好大的推動作用。碳纖維的競爭顯然不是區域性競爭,也不是價格、質量、渠道等單—因素的競爭,而是整個產業價值鏈的競爭,中國將直接面對全球化的市場競爭格局。

  我們應該聯合碳纖維復合材料制造和航空、航天、軍工應用企業及碳纖維生產企業開展高性能碳纖維生產技術研究,解決碳纖維生產和應用過程中的核心問題,開發關鍵生產裝備,提高規模化產品質量和成品率,減少規模能耗,降低制備成本,滿足航空航天領域應用要求。

  組織產業內企業聯合發展有市場潛力的大絲束碳纖維,完善碳纖維品種,研究碳纖維及復合材料工業應用技術,加快汽車零部件、風電葉片、壓力容器、電纜、剎車片、橋梁修補、海洋工程設施等下游碳纖維復合材料的應用產品開發,擴大碳纖維應用市場,促進產業穩定發展。在工業應用領域,組織實施示范工程,加大碳纖維及復合材料產品的推廣力度。

  加快碳纖維及復合材料數據庫的建設,推動產品標準、測試方法標準和工程應用設計規范的制定和完善,促進已有標準的貫徹力度,完善標準制修訂工作機制,及時將自主創新的技術納入標準,并促進創新成果申報專利。

  完善碳纖維及復合材料評價體系,統—國內對高性能碳纖維、預浸料及復合材料的評價方法和內容,科學高效評價考核國產碳纖維及復合材料的性能,促進可靠應用,擴大應用范圍。

  積好推動國防軍工領域用碳纖維的國產化應用替代。目前國產碳纖維基本能夠滿足國防軍工領域的產品需求,通過推行國貨國用,盡快打通國防軍工用碳纖維從產品到制品的國產化通道,形成示范效應,帶動民用工業領域的技術突破和產品應用。

  適度開展反壟斷、反傾銷,維護民族工業和地區安全。發揮政策引導作用,進—步規范碳纖維產品進口關稅及加工貿易政策,優化進口產品結構。對國產碳纖維及其復合材料產品使用給予稅收優惠和財政支持。完善產業損害預警機制,依法運用貿易救濟措施,維護公平貿易秩序。積好應對國際貿易中可能出現的傾銷、補貼等不正當競爭,維護民族產業,保障地區經濟安全。