对碳纤维及其复合材料产业链发展现状的反思――2

2　我国从聚丙烯腈到碳纤维复合材料产业链关键链段的发展现状

2.1　碳纤维复合材料产业链
　　从聚丙烯腈到高性能碳纤维复合材料制品的应用，跨越形成了很长的产业链(见图7)。其中每一链段都饱含高精尖的技术与品质。即使当今著名8大家碳纤维企业中，也找不出一家能真正全链打通并实现商业化运营。以下重点介绍我国在这条产业链上几个重要链段的发展现状。为落实系统论的思想，我们试从终应用起逆向介绍和分析，以期许业界同行们有新的启示。
2.2　碳纤维复合材料应用现状概况
　　(1)体育器材。该领域依然是碳纤维复合材料的大应用面，主体是分布在广东、福建及山东的台资OEM形式加工厂和本土体育器材厂家。采用碳纤维复合材料加工成钓鱼竿、高尔夫球杆、自行车、网球拍等产品。体育器材由于品牌的原因，各种档次复合材料均有其市场：既有高端的东丽T1000、M60J预浸料的销售；也有中端的台塑碳纤维和土耳其AKSA碳纤维；还有国内一些低端碳纤维在这个市场销售。该领域普遍采用碳纤维预浸料和搓管工艺，该细分市场每年碳纤维消耗量约为5000t，相对稳定。
　　(2)航空航天及军工。由于该领域涉及军品部分长期受制于国外对碳纤维的严格监管控制，在利益驱使下，倾向于采用国产碳纤维，但必须通过严格和长期的评审考核来确定定点生产单位。而国产民用航空器(如民航机)的生产，通常可直接申请进口到优质的碳纤维及其预浸料。尽管碳纤维复合材料已经被主管部门提到战略的高度，但限于对碳纤维复合材料的设计、制造和应用验证的水平、数据和经验积累，我国飞机制造业要大量使用碳纤维复合材料还需待以时日，尚不可能像波音和空客公司那样，对碳纤维复合材料产业形成巨大的推动力。据2012年4月26日报道，商飞公司旗下上海飞机制造工业公司与美国Cytec签订了为期10年的复合材料供应合同。我国该细分市场对碳纤维的消耗量大约是200～300 t／a，目前国内航空航天市场对国产碳纤维的主要需求是类似T300级小丝束碳纤维。
　　(3)碳纤维复合材料芯导线。对比传统导线，碳纤维复合材料芯导线具有抗拉伸强度大、运行温度高、线膨胀系数小、质量轻、耐腐蚀、减小磁损等优点，适合旧线路增容改造、新建线路、大跨距等电网工程。目前，碳纤维复合芯导线应用里程超过10000km，2006年至今已有100多条输电线路挂线运行，总长超过5000 km，占复合芯导线输电线路总里程50％以上。现阶段应用主要以线路增容改造为主，在新建线路中尚未大规模推广。据业内专家称，该电缆芯目前主要采用东丽T700―12K的碳纤维，每年约有500～800 t消耗量，这是一个值得期待的大市场。
　　(4)风电叶片用碳纤维复合材料。专家预测，当风电叶片长度超过40 m，就需要部分使用碳纤维。国际上Vestas在其44 m叶片的梁帽采用了全碳纤维；Gamesa在其42.5、44、87和90 m长叶片的梁帽上采用了碳纤维／玻纤混杂预浸料；Neg Micon在其40 m叶片梁帽上采用碳纤维；Nordex Rotor在其44和56 m叶片主梁采用了碳纤维；Repower在其126 m直径的叶片的梁帽上采用碳纤维与玻纤混杂预浸料；Dewind在其40 m叶片的梁帽采用了预浸碳纤维；GE在其48.5 m叶片梁帽上采用碳纤维。国内南通东泰电工在其2 MW风机叶片的主梁采用了碳纤维，中材科技在其56 m叶片的主梁采用了碳纤维；中复联众在其39.2 m叶片主梁采用碳纤维。目前国内还有一些重要的风电叶片厂在考虑和试用碳纤维预浸料。风电叶片基本采用类似于T300～T400水平的大丝束碳纤维(48k或50k)，目前还没有大丝束碳纤维的生产，所以主要依赖进口。当前，风电装备制造商经营举步维艰，碳纤维在该领域的大批量应用也非常艰难，可能的突破思路有两条：是叶片结构设计上充分利用碳纤维的优势，全面创新结构设计；第二，从叶片的设计要求看，碳纤维的模量(中模)是非常重要的指标，是与玻纤竞争的关键所在，开发中模大丝束，提升碳纤维的竞争优势。
　　(5)交通工具(汽车、高速列车、船舶等)。碳纤维复合材料在国外著名品牌汽车(尤其是豪华汽车)中，已经得到长期和比较广泛的应用。在节能减排的大潮流下，汽车轻量化的趋势不可逆转，尤其对于新型混合动力汽车。几乎每家国外著名汽车厂商和碳纤维巨头强强联手，对碳纤维复合材料在汽车的应用都有宏伟的计划，积极开发新型和专用的大丝束碳纤维，提升后续工艺效率，大幅降低碳纤维复合材料在汽车上应用的整体成本。然而，此举在国内却显得比较冷清，估计原因是我国的中高档汽车主要源自外资企业，很多研发在国外合资方总部完成；而国产的中低档汽车厂商，由于价格原因，很难采用碳纤维复合材料。因此，这个领域应用的出路是积极争取与有技术话语权的国际汽车大品牌合作。例如，目前已有台商与欧洲高档车厂签约，除在欧洲设立公司外，已在大陆专设CFRP汽车组件OEM工厂，货交欧洲原车厂。同时，台商还认为大陆本身是高档车大市场，加上电动车等项目，未来在CFRP汽车减重领域商机无穷，还有日本在设厂或OEM机会的可能。高速列车被称之为地面飞行器，在安全范围内的轻量化也是必然趋势，但同样存在于汽车类似的问题。高速列车依靠国际技术集成，在国际上异军突起，借助这个机会，通过材料技术的革新，于高铁技术，也是行内很多专家的共识。然而，要在高速列车上实现碳纤维复合材料化，推动起来还需要一个漫长的过程。这几年，的船舶行业(包括豪华游艇)发展迅猛，对高性能复合材料已经形成一定的需求，但是由于成本的局限，也没有被广泛的采用，有待长时间去培育发展。
　　(6)建筑结构加固补强。国内结构加固补强市场约需碳纤维700～800 t／a，由于该领域用途受标准《混凝土结构加固设计规范》和《结构加固修复用碳纤维片材》对加固材料产品性能指标的严格限定，国产碳纤维力学性能指标有明显差距，目前该领域所需碳纤维一部分依靠进口。而很大一部分则是由浙江海宁、江苏宜兴、山东德州一带非良企业大量采购国产碳纤维(非合格品)或玄武岩纤维，通过假冒伪劣、以次充好、偷工减料的形式和以假乱真的手段大量制造和抛售加固材料，导致加固材料市场极度混乱，由此造成的工程隐患则更令人担忧，因此，碳纤维材料在结构加固补强应用的技术优势日渐式微，需求萎靡不振。
2.3　我国碳纤维复合材料层合固化工艺及其装备
　　(1)层合固化工艺及其装备。我国的碳纤维复合材料层合固化工艺及其装备，是在玻璃钢工业的基础上发展的。比如哈尔滨玻璃钢研究院、武汉理工大学、南京诺尔泰复合材料设备制造有限公司、航天43所等开发了多轴的纤维缠绕与拉挤设备，这些设备通过改造提升，也可基本适应碳纤维的缠绕与拉挤工艺。
　　国内早期就仿制美国和台湾的搓管工艺及设备，从搓管机、薄膜缠绕机、抽芯机、抛光机、固化烘箱等，都实现了国产化可以满足基本的体育器材类的管件制造。但随着国内市场竞争加剧，为降低成本，这类设备质量或有下降趋势。
　　(2)大型自动铺纤(带)机。由于西方对大型自动铺纤(带)机销往实施严格的许可证出口管制，我国(尤其是涉及军品)的企业很难进口到这样的设备。  南京航空航天大学肖军教授的团队，长期研发自动铺带(纤)设备，并已经在国内一些用户处使用，这是我国开拓先进层合工艺与设备的亮点。
　　综上所述，我国高性能复合材料领域整体上尚处于起步阶段，所以层合固化工艺及装备还相当落后。很多先进的设备还必须依赖进口，而西方对很多高性能复合材料的层合装备都实行严格的管制，成为制约新型碳纤维复合材料在我国普及、应用和发展的重要因素。
2.4　预浸、预制件和短切纤维的工艺与装备
　　(1)预浸工艺及其碳纤维预浸料。碳纤维的预浸工艺有很多种。对于热固性预浸料，主流是热熔型性预浸工艺，通常采用树脂膜制备与浸润设备两步法工序。热固性预浸料的核心竞争力是针对不同应用的树脂及其树脂固化体系配方的开发、相关的预浸工艺及严格的品质管理体系。当前，除了极少数航空航天部门的预浸单位基本具备这个核心能力，其他预浸料企业基本还不具备较强或可与国外公司抗衡的竞争能力。尽管我国在预浸领域的著名专家张凤翻研究员常年撰文和演讲，告之预浸料行业的技术难点与门槛，但很多投资者依然存在着一个误解：只要不惜重金买一台好的设备，就可以顺利进入预浸料行业。如果对预浸料的核心竞争力不做出充分的准备，这些投资的前景让人堪忧。
　　碳纤维预浸料是衔接碳纤维与复合材料的为重要的桥梁，对于碳纤维企业，发展预浸料是不二的选择。  预浸料业务的重大意义在于：可以及时把纤维品质信息向纤维生产部门反馈，协助纤维部门提升工艺性能，更深入理解市场对碳纤维的要求；进入复合材料领域，在纤维基础上增加附加值，也能更好地适应碳纤维行情的波动对企业效益带来负面的影响。
　　碳纤维企业上预浸料项目，须清楚地认识到预浸料部门不仅是一个独立的盈利单位，它必须与纤维部门共存亡。因为企业在纤维上的投资是远远大于预浸项目的投资。如果这个预浸厂很“娇贵”或唯利是图，只能消化进口纤维，即使它能获点利，但相比企业自产碳纤维的亏损，这点利润没有任何意义。所以，碳纤维企业建立的预浸料厂，必须立足于为本单位碳纤维服务。当前，我国所有厂家的碳纤维都处于“成长期”，综合品质不堪与东丽比肩。所以，开发出适合本厂碳纤维的适用预浸料，并以预浸料带动碳纤维的销售，无疑是非常重要的战略举措。
　　(2)碳纤维预制件。预制件(Preform)主要是指把纤维预制成一定组织结构和形状的“干的织物”，主要的工艺有：机织(Weaving平纹、斜纹和缎纹)、多轴经编(Multi―axle warp knitting)、编织(Braiding)、缝纫(Stitching)、三维机织(3D Weaving)等，是在传统纺织工艺与装备的基础上发展起来的，有些织物要通过预浸工艺与树脂结合而“变湿”，而有些可以通过树脂灌注、RTM等工艺去与树脂结合。这些预制件的主要目的是提高后段工序的工作效率。我国江苏常州、宜兴一带有好几家相当出色的织物制造商。高端的装备主要依赖进口，而天津工业大学李嘉禄教授的团队在三维编织(3D braiding)工艺与装备的研发方面是亮点，三维编织装备的发展将日益重要。
　　(3)短切及研磨碳纤维。短切及研磨碳纤维或是一种特殊形式的预制件，主要有4个方面的应用：①利用其强度，作为增强塑料和降重材料，替代玻纤增强不能满足的高端市场；②利用其电与热的传导性，作为电子产品防静电外壳；③利用其模量，作为新型的海上油气田的漂浮材料-复合泡沫塑料的增强体，可以承受很大的压力；④利用其与树脂结合后的吸波或透波功能，成为雷达罩(支架)或隐身功能的材料。
　　8大碳纤维厂家中，基本都有短切和研磨产品。有的企业不光用B等品碳纤维生产短切料，也用很多A等品碳纤维生产。其实碳纤维短切和研磨是有很高技术难度的，不是手工剪切和冲床的作坊就能做好的产品。保持均匀的短切碳纤维定尺长度(规格在1～56 mm范围)，保证对各种树脂的分散性，以及保证生产连续运行，是一个很复杂的系统技术。
2.5　我国PAN基碳纤维产业现状
　　据不完全统计，目前我国已有32～35家公司投入碳纤维的研发与生产。其中自己拥有原丝的有19家。如果按照已经购买了设备，已建成或在建的生产线统计，假如这些生产线全部建成并投产，碳纤维总产能可达到约1.6～2.0万t／a，  “十一五”期间，企业、银行和各级政府总共投入资金约100～120亿元币。该行业虽已经出现一些投资者退出和破产的现象，但仍不乏有新的投资者在进入。在生产碳纤维的型号和规格方面，目前所有的厂商中只有蓝星公司生产24k碳纤维，上海石油腈纶事业部有大丝束的规划，其他厂家主要生产12k或以下k数产品。绝大部分厂家宣称，产品达到东丽T300的水平。至少有5家企业宣布产品达到东丽T700的水平，但在市场上鲜有批量的销售。至少有4家企业宣布产品达到东丽T800的主要技术指标，其中一家江苏的企业高调宣称其在已率先攻克碳纤维生产线连续生产稳定性难题，甚至其碳纤维产品力学性能和离散系数超越了东丽T800的指标。目前除了北京化工大学，还没有企业宣布高模量碳纤维(类似东丽M40)的生产。
　　目前国产强度3000 MPa左右12k碳纤维在市场的售价约120元／kg以下，土耳其AKSA公司A-42～A-49型号12k碳纤维的价格分别约135～145元／kg，同级别台湾碳纤维价格类比土耳其约高出15％，日本三菱TR50S―12k碳纤维价格约155元／kg，而日本东丽T700―12k碳纤维价格较乱，约在180～200元／kg之间，如果按照东丽22～25美元／kg的国际价格，加上进口关税和增值税，到市场价格应该是200多元／kg，可能由于去年价格较低时，国内有存货在今年抛售，或是导致东丽T700―12k价格混乱原因。上述价格让几乎所有碳纤维供应商无利可图，尤其是国产碳纤维企业，很多厂家是低于成本价抛售，销售越多，企业亏损越大。一方面是碳纤维生产线巨大的资金投入和存在大量的产品技术与品质问题令人纠结，另一方面是亏本销售，碳纤维企业因此陷入了空前的困境。
　　人们不禁要问，国内碳纤维市场的低价格走势是如何形成的?是国内碳纤维企业相互恶性竞争的结果?或是国外老牌碳纤维企业有意打压新生的碳纤维产业?抑或处于成长期的我国碳纤维因品质不好，目前只能被市场边缘化?但无论何种原因都不是我们所能掌控。唯有打破僵局，努力寻求突破“围城”之路。
　　虽有一些企业已积极向碳纤维下游产业链开拓，快速进入预浸料及各类织物的加工，甚至是复合材料零件产品的制造。然而他们却发现，进入这些行业后也面临很大的技术问题，做出的产品品质、性能和性价比也不高，很难在市场竞争中获胜或无法进入高端市场。到头来是摊子越铺越大，路子却越走越艰难，企业或将陷入更大的困境。

3　以系统论的思想发展碳纤维复合材料
 
　　系统的通常定义是：有若干要素以一定结构形式联结构成的具有某种功能的有机整体。系统论的基本思想，就是把所要研究和处理的对象当作一个系统，分析系统的结构和功能，研究系统、要素和环境三者的相互关系与变动的规律性。贝塔朗菲强调：任何系统都是一个有机的整体，它不是各个部分的机械组合或简单相加，系统的整体功能是各要素在孤立状态下所没有的性质。
3.1　企业要以碳纤维产业链系统为战略基础
　　碳纤维复合材料产业链每个环节的技术的关联度是非常紧密的，可以说是环环紧扣，步步关联，例子比比如是：如市场上没有优质的、大批量和低成本的原丝，要想单独建一个大型的纤维碳化厂可谓是“无米之炊”；而当碳纤维丝束独立存在时却是“英雄无用武之地”，只有与树脂基体结合后才能充分发挥出其优异的力学性能和功能；即便是同样品质的碳纤维，如在复合材料中的排列方式不一样，其各自复合材料的总体性能差异就很大；碳纤维如与性能不匹配的树脂复合，也不可能成为高性能的复合材料；即或所有基础材料都是高品质和相匹配，但加工成型的设备和工艺不对，也不可能生产出高品质和高性能的复合材料……总之，在整个碳纤维复合材料产业链领域，无论是发展碳纤维产业，还是发展复合材料下游产业，我们的各级决策者应秉承系统论的思维与战略尤为重要。不站在系统论的观点盲目跟风去发展碳纤维，就很容易误入迷途。同理，不对国内外碳纤维有清晰的认识，对高素质复合型人才缺乏了解，盲目发展高性能复合材料，也会陷入被动。
3.2　需从复合材料系统性降低成本来实现低成本化
　　国际上业界有一句流行的话：从原材料到碳纤维，价格从1变到3；把碳纤维加工成复合材料，价格可从3变到10。这句话表达了两层含义：从碳纤维到复合材料，增加的附加值更多；碳纤维在复合材料中的成本是约20％～300％。但必须指出，所谓低成本高性能复合材料不是指绝对的低成本，必须要强调高性能价格比，而且要强调系统下的比较成本优势，比如汽车用碳纤维复合材料，不光要计算其零部件本身的成本，更要计算组合安装成本以及节能减排和绿色环保效应带来的综合效益。否则，只计算零部件的绝对成本，高性能复合材料肯定比传统或常规的复合材料高出很多。
　　如前所述，要用系统论来看待和处理高性能结构复合材料。在这种思维指导下，我们可以发现大量的成本节省空间。比如，同样一个结构复合材料，采用大丝束或小丝束碳纤维的问题，节约的成本可不光是纤维本身的价格差，后续预制工艺也在节约成本，甚至预浸铺层工艺也会节约成本。从结构复合材料的设计开始，就必须充分考虑成本因素，如果设计师在各个环节缺乏相对精确的许用值，不断加大安全系数，设计出的复合材料零件比金属零件还厚重，那低成本就根本无从谈起。
　　对于高性能复合材料，成本不仅可以控制，还可以设计。有大量原材料和成型工艺的排列组合可供设计师选择，不同的材料工艺组合就有不同的成本。所以，高水平复合结构的设计人员，不光是优秀的技术人员，也应是精确的成本核算师。
　　人类在不停地提升碳纤维和树脂的性能以及各种结构复合材料的成型工艺，优秀的结构设计人员应及时掌握这些信息和动态，不断提升结构的性能与功能，以期获取高性能价格比的产品。

4　借鉴国际碳纤维产业的发展模式，调整我们自己的发展观念与思路

　　全有8家碳纤维大企业，各有其发展模式与特点。
4.1　小丝束碳纤维企业
　　日本的东丽、东邦和三菱3家企业比较类似，产品范围比较全面，从标准模量、中模量到高模量，力学性能品级齐全，品种规格丰富，产能主要集中在小丝束，用于航空航天及高端体育器材，素以引领碳纤维发展“三驾马车”著称，尤其在进入节能减排时代后，日本这几家著名碳纤维企业先配合波音和空客两大飞机制造公司，相继在B787梦想飞机和A380空中巨无霸大飞机上大量使用碳纤维复合材料，突破了民航大飞机上先进复合材料结构超过50％的革命性创举。在此基础上，他们分别主动与欧美、日系汽车企业强强联手，抢占先机，大力发展新能源复合材料汽车。台塑是1984年收购美国Hitco碳化技术后进入碳纤维领域的，主要生产12k碳纤维，产能规模排位第4，其碳纤维主要用于台资企业的体育器材领域；美国Hexcel与Cytec均生产小丝束碳纤维，Hexcel有高强、中模碳纤维，Cytec只有普通品种的PAN碳纤维和上好的沥青基碳纤维，这两家公司在东丽进入波音公司前，其预浸料基本垄断了美国航空航天复合材料(尤其是军品)市场，同时还供应碳纤维复合材料零件。
4.2　大丝束碳纤维企业
　　美国Zoltek在1988年通过收购Stackpole Fibers进入碳纤维，1992年，Zoltek建立了条基于工业腈纶的连续碳化线，把战略目标锁定在低成本的工业应用；1995年，Zoltek收购了位于匈牙利的腈纶厂；1999年，Zoltek收购了4家复合材料企业，包括材料设计、预浸料和复合材料设备公司，努力向碳纤维下游突进；进入新世纪后，Zoltek在风电叶片领域销售了大量的碳纤维及其碳纤维预浸料，同时，积极开拓汽车市场。德国SGL通过1997年收购英国RK Carbon进入碳纤维领域；1998年，与美国著名的高尔夫球杆公司Aldila合资建立碳纤维碳化厂，产能1100 t／a；2010年，与宝马的合资公司在美国投资碳纤维碳化线，专用于宝马汽车复合材料。同时，在大丝束领域令人瞩目的是，日本三菱在产品开发中嬗变战略，从小丝束跨界到大丝束领域，看好的就是蓬勃发展的国际风电产业市场和未来低成本、高性能碳纤维复合材料的发展方向，其60k大丝束碳纤维力学性能已达到东丽T700水平，并且SGL与宝马合资在美国的大丝束碳纤维碳化线，所需原丝也是由三菱提供的。
4.3　要在反思中学会选择借鉴适合自己的发展模式
　　通过了解和借鉴上述8家主要碳纤维公司的运营历史与模式，值得我国碳纤维企业认真反思自己的发展模式。是否言必称和行必效东丽?是否应该找一家更适合我们国情及企业本身条件的模式来学习?我们觉得碳纤维产业应该着眼于发展大丝束碳纤维，建议以20％／80％比例分配小丝束／大丝束的产能，除少数几个科研单位或企业可以专攻特殊品级(如高强中模如东丽的T800和T1000，高强高模如东丽的M50J和M60J等)碳纤维外，其他大部分碳纤维厂家应该把战略定位在大丝束碳纤维及工业化应用上。这是因为小丝束碳纤维的传统市场如航空航天市场是一个缓慢和有限的发展过程，体育器材市场扩展空间也有限，有发展潜力的是能源、汽车等工业应用领域，必然是将来低成本大丝束碳纤维应用的广阔市场。同时，随着技术的成熟和市场应用的促进，大丝束不再是“低档货”的代名词，如今大丝束力学性能不仅有T300级别的，也有T700强度级别和中高模量的。
　　日本友人曾形象的比喻，碳纤维生产犹如传统的象牙雕刻，需要精雕细琢，而的现代工业文明正是缺失这种“一丝不苟”的文化因素，所以要想做出高水平的碳纤维是很困难的。从目前对碳纤维掌握的技术与管理水平看，大力发展大丝束碳纤维不失为明智和务实的选择，也完全符合当今低成本碳纤维及其复合材料的发展趋势，这一趋势已从碳纤维在工业领域应用的今天，8大碳纤维企业中的大丝束碳纤维厂商迅速崛起得到印证。而且人的成本控制能力非常强，价格也是闻名四海，低成本大丝束碳纤维或将是我们可以在竞争中获胜的主要法宝。