碳纤维：产业差距下的破局之道
我国碳纤维及其复合材料已经具有了一定的研究和应用水平，产业发展具有巨大的潜力，但与先进相比，总体竞争力不强。
产业发展任重道远
碳纤维研究已有30多年的历史，攻关历经6个五年计划，至“十五”后期，终于取得重大突破，实现了从无到有的转变，初步建立了从原丝、碳纤维到复合材料制品的产业链，打破了日美等国长期的技术封锁和垄断。
目前，大陆具备千吨产能以上规模、具有完整产业链的企业4家，五百吨级的企业（或企业联合体）6家，主体产品为12K及以下的小丝束碳纤维。
T300级碳纤维实现了国产化规模生产，其产品陆续进入市场，逐步满足现阶段特殊领域的需求，民用市场正在推广；T700级碳纤维实现了千吨级工程化建设，产品进入工程应用考核；T800级碳纤维取得关键技术突破，但高强中模和基本型高模及高模高强碳纤维品种的产业化仍为空白，其工程化制备关键技术亟须突破；M40级碳纤维实现中试工程化，完成了产品工程应用评价；M50J级碳纤维实现了关键技术突破；更高等级的高强中模和高强高模（M55J、M60J、M70J）碳纤维制备关键技术亟待组织攻关突破。
碳纤维生产主要有湿法纺丝技术和干喷湿纺技术之分，干喷湿纺工艺能大大提高产品性能，并显著提升生产效率，降低生产成本。目前，日本东丽公司采用湿法工艺生产24K以上大丝束碳纤维，T800S以上产品的生产则采用干喷湿纺技术；而碳纤维生产大多采用湿法工艺，只有少数几家企业对干喷湿纺工程化技术开展过研究，目前仅有一家企业采用干喷湿纺工艺实现了Ｔ700千吨级规模生产。
2013年，碳纤维年产能达到14000吨，碳纤维产量约2650吨，主要为T300级碳纤维。预计到2015年，碳纤维总体需求将达16000吨。由于目前碳纤维生产企业面临生产越多亏损越大的局面，大多只能减产甚至停产，因而造成碳纤维实际产量大大低于设计产能。
总体判断，我国碳纤维产业的研制水平大致相当于日本东丽公司上世纪80年代末的水平，而产业化水平仅相当于东丽上世纪80年代初的水平，无法与美日公司在市场上正面竞争。
解析产业发展现状
碳纤维主要以丝、编织布和预浸料等复合材料形式应用于航空航天和国民经济各领域。已有百余家企业生产各类碳纤维增强复合材料制品，从事航空航天等高端碳纤维复合材料研制和生产的单位有十余家，从事碳纤维及复合材料研究的大专院校、科研单位有数十家。
碳纤维复合材料制造现状
碳纤维原丝有效扩展和碳纤维编织技术及预浸料制造技术先进程度直接决定碳纤维复合材料的性能。
碳纤维原丝扩展。近年来，发达严禁第二代气流法技术流入，大丝束低克重轻量化扩展纱技术一直被美日等发达垄断，我国主要采用代碾压法技术扩展碳纤维，所需高端的低克重碳纤维布全部依靠进口，或用国产高成本的1K、3K小丝束来生产，成本高。经过近十年研究，目前国内已成功研发出第三代碳纤维超声引导扩展技术，打破了发达对我国实施的长期技术封锁，将促进我国大丝束纤维在高端领域的应用。
编织布制造。多轴向经编技术生产成本低、生产效率高，所开发多轴向经编织物抗拉强度和弹性模量高、悬垂性好、可设计性强、抗撕裂性能好、原料的适应性好，常作为复合材料的增强材料，广泛应用于风力发电、航空航天、船艇制造、建筑工程等许多领域。随着多轴向经编技术的不断发展，碳纤维织物质量逐渐提高，织物重量减轻、织物品种日趋丰富、机器生产效率持续提升。
我国多轴向织物产业的技术发展较晚，2006年研发了50英寸多轴向经编机，2009年从德国卡尔迈耶公司进口台碳纤维多轴向经编机，2013年自主开发了国内台碳纤维经编机，多项技术指标实现了较大突破。
但针对织造技术，业内还要解决关键零部件的优化和机电一体化的柔性设计及零部件材料选择、精密加工、表面处理等问题。为适应碳纤维骨架材料生产中的多品种、短周期需求，必须深化碳纤维织物及编织工艺研究，减小碳纤维在输送、展纤、铺纬、编织、牵引等过程中的损伤，均衡张力，同时对骨架材料的树脂成型工艺进行深入研究，以提高织物产品质量，满足碳纤维复合材料性能的要求。
预浸料生产：我国从上世纪70年代开始采用溶液法制备预浸料。近10年，掌握了热熔预浸机的制造技术，热熔预浸工艺蓬勃发展，目前，设备引进和自行研制同时展开。
随着国产碳纤维性能的提高和产量的增加，众多碳纤维厂家都在投资建设预浸料生产线，目前预浸料生产线至少有60条，产能超过6000万。
碳纤维复合材料成型工艺装备现状
目前普通碳纤维复合材料装备制造企业只有哈尔滨设备开发公司、哈工大等厂家，碳纤维复合材料高端制造装备（自动铺带机、纤维铺放机、六轴缠绕机等）受控于发达，国内只有少数几家航空航天企业、研究院所拥有高端多轴纤维缠绕机、自动铺带机和真空袋压热压罐。
四轴以下缠绕机、拉挤机、RTM工艺装备、模压机、真空罐注工艺装备等用于碳纤维纺织产品、加强芯、抽油杆、汽车部件、压力容器、风机叶片等一般工业用碳纤维复合材料产品的生产和研制。
碳纤维复合材料应用现状
碳纤维及其复合材料已逐步应用于航空航天、轨道交通、风电叶片、输电电缆、石油钻探、建筑补强、体育休闲等领域。近年来，在体育休闲用品及建筑加固、压力容器等领域的应用迅速增长，但国防领域国产碳纤维的应用比例偏低，而且由于国产碳纤维产品种类少、相关标准和应用设计规范缺乏，限制了国产碳纤维及复合材料在轨道交通、海洋工程、汽车、电力、船舶等领域的应用。
2013年,我国碳纤维及其制品进口12386.2吨，其中主要用途为：体育及休闲用品约占48％，工业产品约占21%，航空航天约占3％，其他约占28%。
土木工程领域。中冶建筑研究总院有限公司在20世纪90年代开始进行碳纤维及其复合材料在土木工程结构中的研究，目前在材料和装备制造方面，已形成碳纤维织物、CFRP板、CFRP筋、CFRP型材、CFRP专用树脂等5大类较为成熟的产品，部分产品的性能指标达到国际同类产品先进水平。在设计及评价体系建设方面，已编制标准、行业标准多部，建立了结构工程用CFRP材料及产品标准体系、设计标准体系、施工质检标准体系，形成了较完整的结构工程CFRP应用标准规范体系。在工程应用方面，碳纤维布及CFRP板已经成为一种重要的结构加固材料，在民用建筑加固改造、工业构筑物加固改造市政设施建设项目中得到了广泛的应用。
碳纤维复合材料在土木工程领域年用量已超过1500吨。但目前进入了发展的瓶颈期，主要表现为：应用领域单一，主要用于结构的加固补强，在桥梁、道路、港口、隧道等重大基础设施建设领域的应用较少；材料类型单一，使用形式以CFRP片材为主，CFRP筋、索、管、网格、型材等形式的材料缺乏有效应用；应用技术单一，主要使用外部粘贴CFRP片材的加固方法，其他如CFRP网格加固法等新型加固技术尚未得到发展应用，而CFRP组合结构、全CFRP结构的研究和应用尚处于起步阶段。
此外，我国目前制备碳纤维筋、索、大截面型材等在规格尺寸、表观形貌、主要性能等方面较国外产品尚存在差距。大型构件连接技术有待进一步突破，在海洋环境等特殊环境下的快捷施工及施工质量控制技术方面也缺乏必要的研究。
碳纤维复合芯导线。在20世纪90年代，日本学者用碳纤维芯代替钢芯生产出了碳纤维芯铝绞线，其重量不到常规导线的1/4，线膨胀系数约为常规导线的1/7，且抗拉强度高，具有良好弛度特性。这种导线与通常的钢芯铝绞线具有相同的外径和强度等级，架线施工中不需要特殊的工具和方法，可有效解决现有输电线路导线弧垂过大、对地净距离不足的问题。
目前，国内自主研发的碳纤维复合芯导线技术性能已达到国外同类型产品的水平，玻璃化转变温度、拉伸强度等超过国外同类型产品。国内有碳纤维复合芯导线生产厂家14家，年产能超过10万公里。至2014年初，有三百多条碳纤维复合芯导线输电线路运行，基本上为增容改造或扩建线路，电压等级覆盖35kV到500kV，单线总长度超过2万公里，使得我国跃升为上使用碳纤维复合芯导线多的。但在相同环境条件下，碳纤维复合芯导线的价格是传统导线的2～2.5倍，前期较多的资金投入制约了碳纤维复合芯导线的推广应用。
直面产业发展差距
目前碳纤维产业产能远远大于产量，且主要生产12K及以下的T300级中低端的高性能纤维产品；而航空航天领域短缺高强度高模量的碳纤维，工业国民经济领域短缺大丝束、成本低廉的碳纤维，供给与需求难以匹配。另外，同国外先进水平相比，我国现有工业化碳纤维产品的性能稳定性、快速成型复合材料的工艺性以及制造成本等方面还有相当大的差距。我们也缺少碳纤维复合材料产品的专业设计、工艺制造人才，缺少规模化、工业化的高精度成型设备。
碳纤维
生产工艺。生产工艺不成熟是导致目前碳纤维产品质量不稳定的主要原因。国外碳纤维产业发展呈现向高模、高强技术和低成本、大规模生产发展的趋势。国内高性能碳纤维普遍存在单线生产能力小、能耗高，生产效率、自动化程度有待提高。能耗和辅助材料消耗大，生产成本高，使得产品难以大规模应用。
核心装备。我国碳纤维制备过程中的一些通用装备与工艺的匹配性、相应专用装备的设计和技术改造缺乏一些必要的基础研究支撑，专用装备的制造水平相对较低，引进与仿制成为主流，使得碳纤维综合指标协调与可控性不高。
目前，喷丝板、加压蒸汽牵伸、卷绕退绕设备、高温碳化炉和石墨化炉等核心装备基本依赖进口。国内千吨级装备设计、制造和运行系统集成能力缺乏，使国产碳纤维成本问题未得到有效解决，影响其下游应用拓展。
原辅料。国产化工原料（包括单体、溶剂、树脂等）的质量有待提升，关键原材料配套体系有待健全。碳纤维产业对进口油剂和上浆剂等仍有相当大的依赖性，国产碳纤维原丝油剂、上浆剂等关键辅助材料研发滞后，制约了我国碳纤维产业的发展。
必须开发出适合国产碳纤维的包括热塑性树脂上浆剂在内的多系列上浆剂类型，进一步研发耐湿热老化、耐高温等应用于高端领域的上浆剂，改善上浆工艺，满足碳纤维制造、加工以及产品的要求。
碳纤维产品。国产碳纤维普遍存在批次间和批次内纤维离散性问题，质量稳定性有待提高，碳纤维尚未形成系列化的产品体系。预浸料厚度、精度不足，单位面积纤维质量分布均匀性较差，稳定性不足。碳纤维稳定化、高效(低成本)关键技术未突破是造成碳纤维质量和成本落后的主要原因。
复合材料下游应用
国内碳纤维复合材料高端应用水平低，产业带动能力弱。国外航空领域已经成功实现了复合材料应用由次承力结构部件向主承力结构部件转变，并开始向全复合材料结构飞机发展。随着应用规模和比例的大幅度提高，目前国外复合材料在航空领域已成为主要材料，并向工业领域大规模扩展，而且其复合材料制造呈现大型化、整体化、自动化发展趋。
目前，我国飞机复合材料用量仅在10%～20%之间，碳纤维复合材料在国内民用飞机上的应用远低于国外的比例。
我国高端的航空复合材料以跟踪仿制为主，大型化、整体化、自动化等关键技术和关键装备尚未完全掌握，尤其大型航空复合材料结构制造工程能力与经验等方面与国外差距显著,自动化制造装备与配套的材料技术刚刚起步,低成本制造技术的工程应用待突破,大尺寸主承力结构制造技术的工程应用经验还很缺乏，在研发理念与技术储备方面差距更大。碳纤维复合材料应用尚未完成次承力结构向主承力结构的跨越，无法起到带动产业快速发展的作用。
复合材料高端工艺装备主要依赖进口，成型先进工艺应用比例明显偏低。国内的复合材料关键装备总体以引进为主、研仿为辅，高精度工艺装备如高温场均匀性固化炉、复合材料数控下料铣、激光铺层定位系统、自动铺带机、RTM成型设备和大厚度缝合设备等基本依赖进口，碳纤维扩展及编织智能制造成套设备缺乏。
尽管部分复合材料工艺装备如缠绕机、热压罐、等静压机的设计制造取得了较大突破，但实际应用还是以进口装备为主。复合材料制造及检测用国产设备精度低、能效低，已成为阻碍国内碳纤维复合材料产业进步的重要原因。
缺乏规模化工业应用技术支撑，民用碳纤维复合材料应用比重低。碳纤维在航空航天等高端装备领域的需求量小面窄，不足以支撑国内生产企业的可持续发展，而且由于国产碳纤维品种单一、成本居高不下，其在民用复合材料领域的推广应用异常艰难。目前国内民用碳纤维复合材料的使用率低于10%，且以手糊工艺为主。
发展环境
从事碳纤维研制的单位数量多、规模小、技术水平参差不齐。据不完全统计，迄今国内已有30多家单位宣布投资碳纤维领域，分布在16个省、市，其中已经实际投入的有28家，建成的名义产能已经超过了14000吨。但总体而言，企业规模小、技术水平参差不齐，真正有基础有实力的不多。由于技术和市场原因，碳纤维企业开工不足，年产碳纤维不到3000吨，大量生产线闲置。
小、散、乱的低水平重复建设，使得产业缺乏核心竞争力。面对国外技术与装备的垄断封锁，遭受发达将低端碳纤维产品向我国低价恶意倾销，我国碳纤维企业生产成本高于进口同类产品价格，产品质量不稳定，行业进入恶性竞争循环中，绝大多数碳纤维企业处于亏损状态。
缺乏复合材料领域一系列适合国产碳纤维的应用标准。我国已有了碳纤维原丝及碳丝的标准，但碳纤维建筑补强标准等下游应用标准都是借鉴国外碳纤维品种制定，这些标准已不适合国产碳纤维的发展现状。目前亟待建立一套适合国产碳纤维产品标准的应用设计规范体系，以便逐步扩大国产碳纤维对进口碳纤维的替代。
缺乏从下游产业链出发，规划国产碳纤维的应用路线图。在产业规划方面，我国现有的碳纤维行业规划侧重于对碳纤维生产企业以及已有的下游应用领域的产业规划，而缺乏从下游产业链出发、规划国产碳纤维的应用路线图。
缺乏适度的反垄断、反倾销税收政策。国际企业通过低价倾销策略，恶意打击国内碳纤维产业的发展，造成国内企业开工不足，整个产业严重亏损，进入恶性循环。我国要加强对国民经济影响重大市场的有效保护，调整税收政策，限制国外产品超低价进入，维护经济安全。
促进产业有序健康发展
碳纤维属于新兴成长型产业，尤其在普通工业领域处于初始阶段，东丽、SGL等先进企业积极扩大大丝束产能，全力拓展在工业领域的应用，对碳纤维产业的发展起到了极大的推动作用。碳纤维的竞争显然不是区域性竞争，也不是价格、质量、渠道等单一因素的竞争，而是整个产业价值链的竞争，将直接面对化的市场竞争格局。
我们应该联合碳纤维复合材料制造和航空、航天、军工应用企业及碳纤维生产企业开展高性能碳纤维生产技术研究，解决碳纤维生产和应用过程中的核心问题，开发关键生产装备，提高规模化产品质量和成品率，减少规模能耗，降低制备成本，满足航空航天领域应用要求。
组织产业内企业联合发展有市场潜力的大丝束碳纤维，完善碳纤维品种，研究碳纤维及复合材料工业应用技术,加快汽车零部件、风电叶片、压力容器、电缆、刹车片、桥梁修补、海洋工程设施等下游碳纤维复合材料的应用产品开发，扩大碳纤维应用市场，促进产业稳定发展。在工业应用领域，组织实施示范工程，加大碳纤维及复合材料产品的推广力度。
加快碳纤维及复合材料数据库的建设，推动产品标准、测试方法标准和工程应用设计规范的制定和完善，促进已有标准的贯彻力度，完善标准制修订工作机制，及时将自主创新的技术纳入标准，并促进创新成果申报。
完善碳纤维及复合材料评价体系，统一国内对高性能碳纤维、预浸料及复合材料的评价方法和内容，科学高效评价考核国产碳纤维及复合材料的性能，促进可靠应用，扩大应用范围。
积极推动国防军工领域用碳纤维的国产化应用替代。目前国产碳纤维基本能够满足国防军工领域的产品需求，通过推行国货国用，尽快打通国防军工用碳纤维从产品到制品的国产化通道，形成示范效应，带动民用工业领域的技术突破和产品应用。
适度开展反垄断、反倾销，维护民族工业和安全。发挥政策引导作用，进一步规范碳纤维产品进口关税及加工贸易政策，优化进口产品结构。对国产碳纤维及其复合材料产品使用给予税收优惠和财政支持。完善产业损害预警机制，依法运用贸易救济措施，维护公平贸易秩序。积极应对国际贸易中可能出现的倾销、补贴等不正当竞争，维护民族产业，保障经济安全。
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