作者：同黎娜
作为高性能纤维的重要一员，碳纤维是高科技纤维的典型代表，其产业发展和科技创新情况一直备受世界各国关注。在复杂多变的环境下，全球碳纤维产业近三年的竞争格局发生了深刻变化。
我国碳纤维产业目前整体发展情况如何？作为国产碳纤维重要的集群地，吉林省及吉林市的碳纤维产业有哪些发展新动态？全球碳纤维技术创新的方向和重点是什么……
ntnet="t" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; background-color: rgb(8, 136, 100); color: rgb(255, 255, 255); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">1 ntent="t" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; color: rgb(8, 136, 100); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">国产碳纤维抓住机遇乘势而上经历了多年的“内功”修炼和产业沉淀，近几年，我国碳纤维产业抓住难得的发展机遇期，乘势而上，发展形势非常好。北京化工大学教授徐樑华介绍，产业形成了聚丙烯腈基(PAN)、粘胶基、沥青基三种类别的齐全碳纤维制备体系;国产碳纤维高性能化技术由二甲基亚砜法(DMSO)体系突破，已形成了以二甲基亚砜法(DMSO)为主，二甲基乙酰胺法(DMAc)和硫氰酸钠法(NaSCN)共同参与的原丝制备技术体系;形成了湿法纺丝和干湿法纺丝、小丝束与大丝束工艺齐头并进的多元化产品体系;形成了高强、高强中模、高模、高强高模系列这样齐全的产品体系。同时，产业形成了碳纤维、辅料助剂、评价表征、装备研制、应用服务等全方位发展的格局。从生产技术和产品系列看，我国大多数碳纤维龙头企业都采用二甲基亚砜法(DMSO)生产技术，包括光威复材、中复神鹰、江苏恒神、中简科技等。威海光威复合材料股份有限公司已经形成了高强、高强中模、高模、高强高模系列化碳纤维产品，积累了一系列具有自主知识产权的工艺制造技术，产品在航空航天、电子通讯、清洁能源、工业制造等领域广泛应用。今年上半年，光威复材实现营业收入12.24亿元，归属于上市公司股东的净利润为4.13亿元。位于吉林市经济技术开发区的吉林碳谷碳纤维股份有限公司，是国内最大的原丝生产企业，采用二甲基乙酰胺法(DMAc)原丝生产技术。该公司在大丝束领域推进“高品质”“通用化”，在小丝束领域推进“高性能”“专业化”，产品已广泛应用于航天航空、风电、高端装备、新能源、体育休闲用品等领域。今年上半年，吉林碳谷实现营业收入12.03亿元，归属净利润为2.68亿元。兰州蓝星纤维有限公司、上海石化则采用硫氰酸钠法(NaSCN)原丝生产技术。从产业规模看，2022年，我国碳纤维总产能为11.2万吨，占全球的43%;我国碳纤维产量为4.5万吨，占全球的33.3%;我国市场碳纤维用量为7.44万吨，占全球市场碳纤维总用量13.5万吨的55.1%。从应用领域看，2022年，国际市场风电叶片碳纤维用量是3.47万吨，体育休闲领域用量是2.4万吨，航空航天军工领域用量是2.01万吨。我国碳纤维最大的应用领域是体育休闲，其次是风电。2022年，我国体育休闲领域碳纤维用量是2.3万吨，风电叶片领域用量是1.75万吨，航空航天军工领域用量是7800吨。徐樑华表示:“未来，我国碳纤维产业要形成均衡化的碳纤维制备技术;要继续支持大丝束碳纤维发展，因为大丝束技术可以提升碳纤维制备效率，也可以提升复合材料的制备效率;要研发新型原丝制备技术，比如要进一步研究熔融纺丝是否真的不可行、干法纺丝和凝胶纺丝是否可行等技术问题;要研发高效纺丝技术，如对位芳纶的干湿法纺丝技术是否可以移植到PAN原丝制备中;要研发径向结构均质化的粗直径纤维制备技术，以提高碳纤维制备效率;要确保纤维丝束平稳运行的装备技术，以提高碳纤维品质。”徐樑华还表示，我国碳纤维产业未来的发展，解决如何“用好”产品是首要问题，要持续解决产品“不好用”“用不好”“用不起”的问题。产业的发展要有新方向，要重点解决复合材料环节的短板，继续推进碳纤维复合材料性能的均衡化发展。同时，创新要务实，要瞄准复合材料的制备效率和应用效益。“高性能化、高制备效率是碳纤维产业永恒的主题。需要注意的是，下游用户总说碳纤维贵，但实际上，下游用户用的是复合材料，是复合材料贵。接下来，碳纤维企业在自身实现低成本化的同时，还要着眼于如何协同复合材料企业实现低成本。大家同处于新材料这条产业链上，复合材料企业不能老盯着‘碳纤维要更便宜’，自身也要通过结构的创新设计为整个新材料行业提供利润空间。”徐樑华强调。 ntnet="t" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; background-color: rgb(8, 136, 100); color: rgb(255, 255, 255); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">2 ntent="t" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; color: rgb(8, 136, 100); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">吉林紧抓碳纤维这个“牛鼻子”
吉林省是我国最早开展研制碳纤维的省份，经过50多年的发展，目前已成为我国三大碳纤维及复合材料产业聚集地之一。尤其是近几年，吉林省和吉林市的碳纤维产业发展引人瞩目。
吉林省政协副主席蔡国伟介绍，近年来，特别是今年以来，吉林省全力打造龙头企业，开展关键核心技术攻关，优化产业生态，如出台支持吉林化纤创建世界一流专精特新示范企业的若干举措，举全省之力推动吉林化纤做强做优做大;实施科技成果转化“双千工程”，开展T700、T800、T1000及100K大丝束碳纤维原丝与碳化技术，碳纤维油剂、上浆剂及改性树脂等产业关键技术攻关和成果转化;推进吉林化纤15万吨碳纤维原丝、6万吨碳纤维等项目建设，配套开展碳纤维原丝干喷湿法纺丝、碳丝缩短预氧化时间、碳化废气处理、碳纤维复材回收利用等生产技术工艺改造;率先推动吉林市碳纤维产业规模跃升、技术迭代、集群发展。
记者了解到，针对碳纤维企业十分关注的用电成本，吉林省采取“风火打捆”模式，给予重点碳纤维企业政策支持，降低企业的用电成本。
吉林省的碳纤维产业主要集聚在吉林市。
吉林市委书记胡斌表示，吉林省明确提出，要举全省之力支持吉林化纤做大做强，加快培育千亿元级碳纤维产业集群，并实行省级统筹、提级管理。吉林市把发展碳纤维产业作为转变经济增长方式、优化产业结构的一项重要战略举措，将加快实施吉林化纤40万吨碳纤维全产业链、1万吨高端碳纤维材料等重点项目，全面进军碳纤维复材领域，开辟大丝束碳纤维与汽车轻量化、航空航天、国防军工、新能源、冰雪装备等领域融合发展的新赛道，打造世界最大的碳纤维产业基地。
吉林化纤集团有限公司位于吉林市，已形成了“丙烯腈-丙烯腈基原丝-碳丝-下游制品”的完整碳纤维产业链条，被国家纳入创建世界一流专精特新示范企业名单，是吉林省唯一入选的地方企业。
在吉林化纤旗下一个碳纤维碳化车间，一排排白色的原丝整齐排列在车间这一头，经过碳化工序后，黑色的碳丝从车间另一头下线，车间长度达几百米。
该公司董事长宋德武介绍，碳纤维是公司近年来迅速发展和壮大的新型产品系列。目前公司的原丝产能为16万吨/年，碳纤维产能达4.9万吨/年，正在向通用复材领域发展。吉林化纤的原丝、碳丝产量居行业前列，碳纤维板块产值自2020年以来已连续3年实现翻番。
在产学研合作方面，吉林化纤与长春工业大学联合建设了吉林省碳纤维产业创新中心。
“接下来，公司将继续推进碳纤维战略性新兴产业融合集群发展。在碳纤维板块，公司将坚持产业链一体化立体建设，按照原丝、碳化、复材产业链一体化的思路，坚持两束三全双路线的发展定位，25K、35K、50K产品在生产技术上均日臻成熟，小丝束在特殊领域基本上是定制化。”宋德武说。
“未来，吉林省将牢牢抓住自主创新这个牛鼻子，不断丰富拓展应用场景，加快打造较为完善的产业链和产业集群，材料产业、碳纤维产业应用融合等基地，推动碳纤维产业成链、成群、成势;培育世界一流专精特新示范企业，提高碳纤维产业的吉林影响力。”蔡国伟说。
ntnet="t" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; background-color: rgb(8, 136, 100); color: rgb(255, 255, 255); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">3 ntent="t" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; color: rgb(8, 136, 100); box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">结构和功能一体化是方向
全球碳纤维技术创新有哪些新方向，有哪些具有潜力的应用领域值得关注？
德国亚琛大学纺织技术研究院助理研究员德尼兹·耶西尔尤特介绍，碳纤维复材的回收利用目前大多是进行降级回收，将其加工成短纤维。随着人们对储氢瓶及其回收利用越来越感兴趣，已经能从中回收高质量的连续纤维。这运用了基于热解或溶剂分解的工艺，后者还可以对基质进行回收利用。然而，缺乏表面活性的再生碳纤维对基质的黏附力较低，且未上浆的纤维可能会在退解中受损。为了解决这些问题，亚琛大学开发了一种新方法，通过优化碳纤维的表面处理和上浆，降低碳纤维的回收损失，并提高回收效率。德国亚琛大学纺织技术研究院助理研究员刘子文介绍了一种新方法:利用低成本的高锰酸钾或氮气作为预处理介质，可以将碳纤维的稳定化时间缩短20%、能源成本降低20%、纤维损耗减少5%，缩短将聚丙烯腈热转化为碳纤维的工艺时间，提高转化效率，从而降低碳纤维生产过程中的能耗和成本。在应用方面，随着性价比的持续优化，碳纤维在汽车轻量化领域的应用空间正在逐渐打开。中国一汽研发总院高端汽车集成与控制全国重点实验室副主任叶福恒介绍，汽车轻量化是汽车节能减排的重要途径。车重每减少100千克，二氧化碳排放量可减少5克/千米。在提升汽车竞争力方面，轻量化能带来汽车综合性能的提升。如果整车降重10%，续航里程就会提高10%，制动距离会减少3%-4%，减速时间会减少6%-8%，轮胎寿命会提高7%，会提高汽车整体的操控性能、耐久性能、电池能量密度等。“碳纤维复材以其轻质高强、设计集成度高和抗疲劳性能优异等优点，成为汽车深度轻量化的理想材料。碳纤维复材在汽车上的应用，逐渐由以前的赛车、超级跑车向中高端乘用车延伸，应用部件由覆盖件、装饰件向结构件和次结构件拓展，应用方式也由原来的小批量生产工艺转向大批量自动化生产工艺。”叶福恒说。比如，以前，兰博基尼座舱、前唇和尾翼，迈凯伦座舱、发动机罩应用了碳纤维复合材料;现在，宝马i3、宝马7、奥迪A8在整体式车身、车身结构件、车身次结构件等方面都实现了碳纤维复合材料的自动化量产工艺。其中，奥迪A8的碳纤维后背板采用福伊特的自动铺带系统生产，配合全自动化的成型和装配技术，单天的产能达到300件。一汽在这方面也正在展开探索。叶福恒介绍，基于一款传统的燃油车型，一汽将其承载式结构车身设计成碳纤维成员舱和铝车架组成的非承载式车身。一汽将碳纤维复材用于包裹架，通过集成化设计，将一款车的包裹架和包裹架隔板集成为一体，实现降重约40%。针对一款红旗车型，一汽还对发动机罩、行李箱盖进行了碳纤化(碳玻混合)技术开发，从而使发动机罩的重量由此前的23.1千克降至10千克，使行李箱盖的重量由此前的13.4千克降至6.8千克。相关统计数据显示，2022年，在国际市场和我国市场，碳纤维在汽车领域的用量分别为9500吨、2400吨。“多材料混合用材将助推碳纤维在汽车上的应用。随着预期成本不断降低，产业链不断完善，碳纤维在汽车上的用材占比和用量有望呈现上升趋势。”叶福恒说。储氢瓶也是碳纤维很有潜力的应用增长点。
北京科泰克科技有限责任公司技术总监赵亮介绍，目前应用最广泛、最便捷的车载储氢技术是高压气态储氢。综合考虑压缩能耗、续航里程、基础设施建设投资等因素，世界各国均将70MPa高压气态储氢列为发展目标和研究重点。纤维的选择是决定气瓶性能的关键。碳纤维全缠绕结构具有重容比小、单位质量储氢密度高等优点，并且，采用缠绕线形的细化设计，可以提升气瓶的综合性能。相关统计数据显示，2022年，国际市场上压力容器领域的碳纤维用量是1.48万吨，我国压力容器领域的碳纤维用量是6000吨。从增长率方面看，全球市场上碳纤维用量最大的领域目前是风电叶片，但是，2021年到2022年，压力容器领域的碳纤维应用增长率为34.5%，远高于风电叶片领域5.15%的应用增长率。“结构和功能一体化是碳纤维的发展方向，高质量、低成本和广应用是碳纤维行业发展的新动能。航空航天和国防工业用碳纤维始终是碳纤维行业的发展重点，其消费年增长率将达到10.3%。”中国科学院院士、东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳这样表示。
