新兴产业遭遇产能过剩 谁为碳纤维未来护航
近年，随着碳纤维复合材料在航空航天领域崭露头角，并逐渐成为不可替代的关键性结构材料，正吸引着越来越多的国内企业不惜重金投资、大手笔进入该领域。“2005年9月29号，当我第一次调研碳纤维的时候，我信心百倍，大家都说碳纤维难做，但我就要把它做出来。这么多工厂我都做得好，还有什么难的呢？四年做下来，我深有体会，就是其他的工厂我做得再好，但碳纤维也不一定能做得好。”这是中复神鹰碳纤维有限责任公司董事长张国良在9月上旬召开的“高性能纤维复合材料产业化建设及应用技术研讨会”上发言的开场白。一席话道出了21世纪初国内几十家大型国企以及各路民营企业纷纷投身碳纤维产业的决心，正是这种初生牛犊不怕虎的干劲快速催生了国内碳纤维产业在短短几年内从无到有进而过渡至“遍地开花”的态势，2004～2008年产能年均增速超过100%。
但是由于在一些关键技术上仍未取得突破，生产线运行及产品质量极不稳定，“有产能无产量”的装置比比皆是，正如北京化工大学徐粱桦教授所言“真正懂得碳纤维的企业少之又少”，尽管如此，跃跃欲试的企业仍在不断增加。
“碳纤维热”背后的隐忧
产能超过可预见需求
我国碳纤维工业的起步可以追溯到1962年，基本与日本的研发保持同步进行，但在产业化生产和集中度方面却存在很大差距。“十五”结束时我国有碳纤维企业近10家，合计产能仅占世界总产能的1%左右，即不到400t/a；而同期日本东丽、东邦、三菱人造丝三大碳纤维巨头合计产能就超过2.0万t/a。2008年世界碳纤维产能6.7万t/a，其中小丝束5.16万t/a，大丝束1.56万t/a，日本生产企业产能占全球总产能的3/4，并可生产从T300到T1000及M30S到M70J系列产品，东丽公司已成为美国波音公司和法国空中客车公司制造民用客机的碳纤维产品定点企业；同期国内碳纤维企业增至近30家，合计产能9200t/a，约占世界总产能的14%，规模仍集中在千吨、百吨级，但由于技术不成熟、装置不稳定等因素影响，许多装置不能正常开车或处于停产状态，目前平均开工率仅约5%。
虽然我国碳纤维生产发展较为缓慢，但市场需求旺盛，2001～2008年碳纤维消费量年均增长约21.7%，2008年需求量为6500t。由于国内产量严重不足且产品存在强度低、均匀性和稳定性较差等质量问题，并多集中在低端的T300，因此国内碳纤维需求主要依赖进口。2008年进口量超过6000t，约占世界总产量的1/5，其中大部分为来料加工再出口，而国内实际需求仅约200～300t，这也是目前我国碳纤维产业发展过程中遇到的最大瓶颈，碳纤维
制品达不到国外相应质量标准，容易遭遇国际技术壁垒的制约。此外，据预测，2010年全球碳纤维总需求约4.0万t，而国内同期在建及拟建产能将超过2.0万t/a（生产及拟/在建项目统计见表1），中长期规划可达6.7万t/a，已经超过全球需求容量，产能过剩非常明显。
应用领域亟需拓展
受韩国和我国台湾地区将体育器材产业转移到大陆沿海地区影响，国内碳纤维材料的应用主要集中在体育休闲用品（约占总消费量的80%～90%），及一般工业应用和少量军工产品（导弹和火箭等）。在航空航天方面，由于国外一直对我国进行技术封锁，供货来源主要依靠国内部分科研院所及企业的试验设备所生产的少量碳纤维产品，但耗量不足碳纤维总需求量的5%，远落后于世界平均应用水平（见图1）。
“十二五”期间，国家对包括碳纤维在内的高性能纤维产品在工业领域应用发展进行了立项和重点部署，积极研制高质量产品，并不断拓展其在军用、航空航天、能源、环保、汽车、造船、桥梁等工业领域以及建筑、抽油杆、民用等方面的应用。此外，预计未来几年碳纤维增强材料在风电领域将迎来新的市场机遇。
技术攻关难度大
作为目前新型复合材料首选的增强体——碳纤维是一个高投资、高技术含量的产品，可对于中国的企业家来说好像门槛并不那么高，每年都有十几家企业参与进来。但从技术方面来看，碳纤维生产涵盖了高分子、无机和有机化学、材料科学等多个学科，以及化学工程、纤维成型、自控、机械等多项工程技术高度集成，且没有国外样品和技术作为借鉴，该产品对性能、形态结构、微结构要求很高，技术流程很复杂。①纺丝除考虑成本和力学性能外，
还要考虑界面问题，如果碳纤维和树脂基体表面结合不好，性能再高也无济于事；②碳纤维的碳化过程是制约其产业化工艺的关键问题，涉及相互独立、相互制约的参数非常多；③在制备技术方面，要具备较好的单元技术基础，还有赖于技术的集成和装备的整体技术水平。此外，与国外相比我国碳纤维发展在聚合的可控性、稳定化、高倍拉伸氧化控制、上浆剂、设备国产化、降低能耗物耗、环保等方面显得较为薄弱。
表1 我国大陆主要PAN基碳纤维生产及拟/在建项目统计 t/a
地区 生产企业 原丝产能 碳纤维产能 备注
东北 大庆石化腈纶厂 5000 意向
吉林碳素厂 25 500（拟建) 原丝生产
吉研高科技纤维有限公司 10 生产
吉林石化公司研究院 10 生产
吉林市航源碳纤维有限公司 250 100 在建
吉林化纤 1000 意向
沈阳中恒新材料有限公司 1500 500 在建
大连兴科碳纤维有限公司 800 生产
小计 8595 1100
华北 山西煤化工研究所 10 生产
山西恒天纺织新纤维科技有限公司 1000 在建
河北硅谷化工公司 1200 已建
小计 2200 10
西北 西安康本材料有限公司 1000 在建
兰州碳素纤维厂 60 生产
兰州中凯工贸有限责任公司 100 停产
小计 1000 160
华东 上海合成纤维研究所 5 停产
上海碳素厂 10 停产
上海金山石化 1000 意向
上海星宇实业有限公司 400 意向
中复神鹰碳纤维有限责任公司 10000 2500 在建
江阴德福碳纤维有限公司 1000 在建
扬州惠通公司 100 在建
江苏恒神 1000 在建
江苏宿州 200 在建
山东天泰股份有限公司 40 停产
威海拓展纤维有限公司 1000 400 在建
山东天泰股份有限公司 40 意向
威海拓展纤维有限公司 40 生产
嘉兴中宝碳纤维责任有限公司 400 缓建
浙江恒逸集团有限公司 2000 在建
安徽华皖集团 200 停产
小计 15100 5232
华南 桂林市化纤总厂 200 意向
广州金发科技股份有限公司 200 筹建
小计 400
合计 26895 6902
低成本工业碳纤维应成为未来发展的主体
碳纤维未来的应用将不仅仅局限于航空航天、军事等尖端领域，而是实现大规模工业化应用，因此，低成本工业级碳纤维将成为未来发展的主体，而成本问题则是制约我国碳纤维产业发展的关键因素。导致目前国产碳纤维生产成本较高的因素主要有三个方面：①豪华工艺流程设计与产出目标产品间的错位，生产企业往往将工艺流程设置得非常全面，从而导致生产成本提高。②碳纤维制备过程中的配套技术不完善，国内成套装备的设计和制造技术薄
弱。原材料质量、工艺设计和制造等技术问题使得我国碳纤维装备投资和后续关联性费用较高，折旧压力大，硬性维护成本非常高，受装备水平制约单线产能偏低，运行成本高。③受环保条件制约，辅料、助剂大量进口间接推高了产品成本。
美国能源部曾提出促进低成本碳纤维发展的计划并进行研究，在碳纤维成本中原丝部分约占51%，工艺和人力成本约占49%。目前降低原丝生产成本主要通过采用丙烯腈、木质素、线性工业级低密度聚乙烯等纺织工业级的原丝；而在溶纺技术方面，有赖于预氧化、碳化新工艺和新技术来进一步降低成本。
产学研有机结合助产业有序发展
面对目前国内碳纤维产业产能过剩、成本高、质量不稳定、应用领域狭窄等问题，寄望在政府相关政策的引导下，加强产学研结合，采取切实措施保护来之不易的新兴产业，以推动我国碳纤维产业有序、健康的发展。
（1）加强碳纤维战略规划和战略决策的科学性 对科学研究领域和技术领域的沿革、国内外现状、技术经济分析、未来发展趋势等做出科学的、定量的分析和预测判断。
（2）加强碳纤维系统复杂工程的顶层设计与部署 从国家战略需求出发，不同系统和部门间科研单位协作与分工协调，加强联合、优势互补、协同攻关、独立考评、公平竞争。
(3)加强科学技术基础和人才培养 在碳纤维原丝和碳丝的制备、结构形态、性能相关性等领域进行系统深入研究，以PAN纤维取向和微缺陷调控为主线，控制聚合、溶胶/凝胶、预氧化三个关键过程化学结构和微缺陷的形成。
（4）加强科技成果向碳纤维生产线集成和应用开发 强化科研单位、腈纶制造企业、化工和纺丝工程设计与装备制造单位、自动控制与工程控制公司的有效组合，高度重视氧化碳化装备制造和复合材料应用。
此外，更应重视应用领域的拓展，以推动规模化产能最大程度转化为规模化的产量，同时也能从生产连续化过程中不断提高生产技术水平，继而转化为高品质的质量，从而进一步拓宽碳纤维产品的应用范畴，降低碳纤维生产成本。
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碳纤维国产化历程概览
蹒跚起步期
（19世纪60年代至90年代） 研发力量薄弱，工业化、产业化水平极低，生产企业举步维艰。碳纤维原丝生产技术三足鼎立，分别是：①吉林石化的硝酸法；②兰州化纤的硫氰酸钠法；③榆次化纤的二甲基亚砜法。其中，硝酸法代表了我国当时的最高水平，其次是硫氰酸钠法，再次是二甲基亚砜法。
产业转型期
（20世纪90年代末至21世纪初） 对原丝制备技术具有更加深入的理解，认识到硝酸法制备原丝的弊端和硫氰酸钠法的现实困境，以及企业应用的混合溶剂等技术的适用性存在问题，二甲基亚砜法原丝技术再次崛起。期间国内科研单位成功掌握了可以制备圆形截面的T300原丝制备技术，我国高性能碳纤维产业化技术基础基本形成。
快速发展期
（21世纪初直到现在） 科技部“十一五”科技专项、“863”碳纤维科技专项以及发改委产业化项目的跟进与实施，相关部委、地方政府与科研单位及各种所有制企业的不断投入，形成了实验室小试、规模中试及百吨乃至千吨级T300生产线建成投产的完整产学研链条；T700碳纤维已经实现了工程化并已同步开展了低成本T700-S碳纤维制备技术，T800碳纤维小试制备技术取得突破；高强高模碳纤维的研究开始启动，基本实现了M40级高模量
纤维的成型技术。至此，国内碳纤维产业已经形成了从技术研发到生产到应用的兴旺局面。
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