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钱伯章:中国碳纤维发展现状与趋势
 点击数:2968次 添加时间:2015-2-11 [打印] [返回] [收藏]
碳纤维发展现状与思考

  碳纤维作为战略性新兴产业中的一种重要产品,正受到越来越多的关注,国内碳纤维生产线建设也异常热闹。然而,相比日本,中国碳纤维研发和产业化技术落后20-25年,目前该产业仍然处于培育阶段。

  就产品而言,中国高性能碳纤维基本处于空白,目前国内只有相当于或次于T300级碳纤维的产品,T700级碳纤维尚处于工程化研究阶段,T800、MJ系列碳纤维尚在攻关,而且牌号、规格单一。目前国内以3k(每束3000根)、12k的T300级碳纤维为主打产品。国外单线最大产能已达1800吨 (12k),生产效率高。相比之下中国生产技术和设备规模均有较大差距,因此成本差异很大,导致中国碳纤维产品没有市场竞争力。

  相对于有些落寞的技术开发,碳纤维生产线建设却一片红火。目前中国碳纤维生产企业已近30家,规划产能在7-8万吨/年。除了民营企业,中国石油、中国石化、中国化工、中国钢铁、中国建材、首钢国际等大型国企都已介入。

  投资如此火热一方面是企业看好碳纤维市场前景。未来碳纤维市场的增长点在风电叶片、建筑材料、汽车、大飞机、压力容器和高压输电线等新兴工业领域,消费量将会大幅增长,几十万吨也可能不够用。但另一方面则是一些地方政府盲目跟风。

  碳纤维产业的技术基础尚未奠定,产能自然难以转化为产量。目前国内技术水平高的碳纤维企业也有几家,但由于没有形成规模优势,同等质量产品的价格远高于国外。据了解,日本东丽T700级碳纤维的成本与国内T300级的成本相当。

  西方国家将碳纤维视为战略物资,曾对中国禁售、禁运,根本不可能转让技术。上世纪80年代中国就曾从英国RK公司引进大丝束预氧化炉和炭化炉,结果两套设备均未能正常运转。实践证明,无论从政治角度还是商业角度,技术水平较高的碳纤维公司都不可能向中国转让技术或出售设备。然而,高性能纤维及复合材料市场的中心将进一步向亚洲转移,中国高性能碳纤维复合材料产业前景不可估量。

  

碳纤维列入新材料产业“十二五”发展规划

  碳纤维已列入《新材料产业“十二五”发展规划》重大工程。中国碳纤维产业发展还处于初级阶段,把碳纤维列入重点工程,有助于激发政府和企业的投资热情,加快推进产业发展。如果预定目标能够全部实现,则中国碳纤维产业将成功起步。

  

应用极具潜力

  碳纤维工程提出的目标是,到2015年,碳纤维产能达到1.2万吨,基本满足航空航天、风力发电、运输装备等需求。当前国内碳纤维应用除军工外,主要集中在热场保温、刹车片、体育休闲、建筑等领域。未来碳纤维用量增加部分将主要集中在风电叶片、高压输电缆芯和汽车领域。

  据介绍,55米以上风电叶片的关键部位必须要用碳纤维复合材料,特别是海上风力发电全部是大功率的,粗略估计,一组叶片需要用碳纤维复合材料几百到1200千克。

  高压输电方面碳纤维主要是用来生产碳纤维复合材料缆芯,可有效减少输电线下垂产生涡流导致的电流损耗,降低塔架密度和强度,目前已进行了几万千米的挂网实验,效果非常不错,碳纤维用量约70千克/千米。据悉,未来中国每年新增输电线路100万千米,老化改造线路约20万千米,并且这个数字还在不断增加。

  在汽车方面,汽车工业正面临资源和环境的严峻挑战,推进汽车轻量化以降低油耗是汽车工业发展的主题,而碳纤维复材是理想的以塑代钢材料。

  

设备攻关势在必行

  由于技术不过关,中国很多碳纤维装置出现“趴窝”现象。碳纤维制备过程分为聚合、纺丝、预氧化、炭化和表面处理等多道工序,无论是工艺技术还是设备开发以及配套材料,只要有一项跟不上研制和产业化进程,就会影响到碳纤维产业。

  目前,只有少数企业实现了全流程的国产化,但质量尚待考察,大部分碳纤维装置的关键设备还是依赖进口。但像预氧化炉、碳化炉等关键设备,因为国外始终对我们“设卡”,依靠进口则随时面临“禁运”风险。跟进口设备相比,国产设备在温度、张力等精度控制方面还有一定差距,导致产品不匀率上升,生产效率也难以提高。所以,碳纤维工程中将这些列入重要研发内容非常有必要,这些设备的攻关势在必行。

  此外,碳纤维制备用油剂和上浆剂等关键原料的开发也同样必要,这些原料目前在中国还处于研发阶段,不能满足生产需求。

  

降低成本的两条途径

  对于碳纤维工程中提出的低成本化和高端创新示范的目标,低成本是提升碳纤维竞争力和应用推广的关键。目前12K的碳纤维产品,国外产品的售价在150~220元/千克,国内以此价格出售难有利润可言。

  对此有两条降低成本的建议,一是提高生产效率,同等规模的生产线,中国每小时产量仅为国外的1/3。同样的投入,产出差别却很大,售价自然难降低。

  二是原材料多元化。目前中国商业化的碳纤维生产原料几乎都是聚丙烯腈基(PAN),其原料丙烯腈属于危化产品,成本比较高。未来可以在沥青基、粘胶基和木质素基等方面加大开发,通过原料多元化来降低成本,目前已有一些企业涉足该领域。

  此外,降低能耗也非常关键,目前生产1吨碳纤维耗电高达3万~4万千瓦时,国外的能耗数据尚不明确,但是这方面应该有潜力可挖。

  

产品开发着眼高端

  碳纤维开发必须要着眼高端,日本已经开始淘汰T300,我们再在低端产品上耗费精力没有意义。而且碳纤维下游应用领域,很多工艺设备都是从国外引进,如风力叶片、电缆芯、建筑补强等,应用要求起点比较高,这也促使我们只能往高处走。

  目前中国碳纤维生产企业大部分属于低水平重复建设,技术并不过关,大部分尚达不到T300水平,不能满足高技术产品要求,故销路不畅,每年还要进口约6000~7000吨。为避免重蹈覆辙,新兴产业发展需要在政府指导下有序进行。

  

发展建议

  突破PAN原丝关键技术瓶颈

  国内在制约碳纤维发展的诸多原因中,PAN原丝水平的落后是制约碳纤维生产水平提高的瓶颈,不仅影响碳纤维的质量,而且影响其产量、生产成本和市场竞争能力。

  当前亟待掌握高性能PAN基原丝生产技术,抢占市场先机。在完善碳纤维生产技术的前提下,尽快在PAN基原丝制造工艺技术上取得突破,发展高质量的上游产品生产线,保证碳纤维生产稳定、产品优质,从而在关键技术上打破国外的封锁与垄断。

 
 

加快提升自主创新能力

  目前中国碳纤维装置如纺丝设备、碳化设备基本引自意大利、美国、德国、日本、英国等先进国家,装备国产化方面差距较大,需尽快消化吸收已掌握的技术,有效控制碳纤维制备过程中的缺陷,突破国产碳纤维性能不稳定、离散度偏高的难题,使PAN基原丝和碳纤维的性能和稳定性得到大幅度的提高。

  高性能纤维是国家材料科学发展的重要制高点,是国家重要的战略性基础材料,其技术突破与产业化应用对于推动社会发展有重要价值,不断提高自主创新的能力,有重点地突破碳纤维产业化发展制约“瓶颈”,提高国产化先进水平,缩小同发达国家的差距。

  值得注意的是,碳纤维是一种高投入、高风险、高能耗的产业。国家对其扶持应主要集中于建立互通有无的系统化研究网络,要避免重复引进、重复研究。国家应重点扶持几个成功企业,大力协同,优化布局,整合资源,合作攻关,防止低水平重复建设和盲目发展,实现让更多企业少走弯路、节约成本的目标。

  

进一步深化产品结构调整

  目前,中国碳纤维产品结构还比较单一,缺乏高性能的大丝束产品,因此必须加大产品结构调整,进一步开发T300 12K、24K及T800系列产品,形成T300 、T800 两个系列,1K、3K、6K、12K、24K及48K六种牌号产品,提升中国碳纤维产业横向发展的实力。因此,在部件制造方面,要适当购买国外先进设备,攻克关键设备国产化的难题;积极与下游单位合作,加强“产、学、研、用”紧密结合,建立相关机制,积极开发新工艺、新应用。

  

努力着眼于碳纤维的循环利用

  碳纤维制品多用于特殊领域,其使用寿命和更新周期均有严格要求,大量废弃的碳纤维产品亟待处理。据日本三菱丽阳估计,目前全球废弃的碳纤维大约为2万吨。随着碳纤维生产能力的扩大及增强材料的大量使用,碳纤维的回收利用将会日益重要。

  近年来,国外一些企业已经开始重视研发环境友好型可循环碳纤维。日本东丽、帝人和三菱已计划联手大规模生产此类碳纤维,以促进高强轻质材料的回收利用。中国也应借鉴国外的先进理念,将碳纤维的循环利用逐渐纳入研发范围之内。

 
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