來(lái)源：奧賽碳纖維技術(shù)
07
復合材料應用發(fā)展趨勢與展望
7.1. 航空航天應用市場(chǎng)
市場(chǎng)的發(fā)展趨勢如下圖：2019年對碳纖維的需求量為23,500噸。
航空航天市場(chǎng)的分市場(chǎng)份額（噸）如下圖：
商用飛機無(wú)疑是碳纖維最有力的推動(dòng)者，2019年三件大事：一是波音737系列停飛停產(chǎn)，國際航空器市場(chǎng)形成巨大的不確定性。二是新的單通道飛機平臺，是否會(huì )雙通道飛機B787、A350一樣，廣泛地使用碳纖維？三是數量是雙通道飛機10倍的單通道飛機，會(huì )采用怎么的復合材料工藝？這些問(wèn)題可多聽(tīng)航空專(zhuān)家的觀(guān)點(diǎn)。從材料角度：新型的碳纖維，以東麗T1100G、赫氏IM10為代表，如果產(chǎn)能繼續擴大，成本持續降低，將在主承力結構大量使用；對于熱塑復材在主結構的應用，這是屬于“下一代多功能機身驗證”的性質(zhì)，而航空的一代基本是20年時(shí)間；成熟的熱固復合材料依然是飛機主結構的主力，除了現有的自動(dòng)鋪放+熱壓罐工藝，RTM工藝在A(yíng)220與MC-21的經(jīng)驗基礎之上，最可能成為單通道飛機的主選工藝。
7.2. 風(fēng)電葉片應用市場(chǎng)
2019年，風(fēng)電市場(chǎng)發(fā)展非常迅猛，國內預計今年內取消補貼，所以搶裝依然延續。
根據彭博新能源財經(jīng)公布的“2019年全球風(fēng)電整機制造商市場(chǎng)份額排名”，從市場(chǎng)需求方面：
2019年全球新增陸上及海上風(fēng)電裝機容量分別為53.2GW及7.5GW，其中中國占據全球半壁江山，中國市場(chǎng)新增裝機總容量為28.9GW（包含26.2GW的陸上及2.7GW的海上風(fēng)電裝機），全球市場(chǎng)占比48%；從市場(chǎng)供給方面：Vestas 2019年風(fēng)機新增裝機容量9.6GW，以18%的份額領(lǐng)先全球；全球十強中，有6家是中國企業(yè)。
2019年底與臺塑周中洋高級專(zhuān)員交流，他提供了如下寶貴的咨詢(xún)，供大家參考：“SIMENS GAMESA已經(jīng)開(kāi)始使用拉擠板制作樣機；GE-LM的使用拉擠板的工藝在開(kāi)發(fā)中；Nordex 在歐洲已經(jīng)開(kāi)始批量使用拉擠板生產(chǎn)葉片；遠景風(fēng)電已經(jīng)開(kāi)始用拉擠板制作樣機。預計2020年全球風(fēng)電對碳纖維的需求將達到31,272，兩年之后，預計碳纖維需求大于44,139噸”。
盡管我們對風(fēng)電的預測很樂(lè )觀(guān)，但是，確實(shí)也存在一定風(fēng)險：新冠肺炎疫情及風(fēng)電發(fā)展的階段性規律，有可能會(huì )讓上述的預測不符或落空。
2019年，VESTAS在中國的動(dòng)作頻頻，與澳盛擴大了碳梁的合作，與光威集團合作在內蒙擴建碳纖維工廠(chǎng)，然后又與吉林化纖集團（我國當前最重要的原絲基地）簽訂了戰略協(xié)議，之前，與ZOLTEK，臺塑，土耳其DOWAKSA的戰略合作。我們大膽地猜測：VESTAS應該非常清楚碳纖維在未來(lái)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的戰略意義，他更清楚碳纖維的成本構成及未來(lái)發(fā)展走向。如此猜想之下，不免有點(diǎn)私心，替我們國內的風(fēng)電巨頭暗自擔憂(yōu)：不要等著(zhù)哪一天，我們也認識到了碳纖維在未來(lái)風(fēng)電的戰略意義之后，突然發(fā)現，全球的碳纖維資源已經(jīng)被對手控制了。希望我們的這些想法是“杞人憂(yōu)天”。作為碳纖維的從業(yè)者，我們首先歡迎各類(lèi)客戶(hù)的光臨。
7.3. 體育休閑應用市場(chǎng)
體育休閑市場(chǎng)十年來(lái)的需求發(fā)展情況如下，2019年的需求量為15,000噸。
體育市場(chǎng)的分市場(chǎng)份額如下：
先進(jìn)復合材料體育器材強國計劃
2019年，中國復合材料學(xué)會(huì )與國家體育總局裝備中心牽頭，匯集體育界及復合材料屆專(zhuān)家學(xué)者及企業(yè)家，籌備“中國復合材料體育器材聯(lián)合專(zhuān)業(yè)委員會(huì )”。這個(gè)“專(zhuān)委會(huì )”的工作任務(wù)是“集成國際設計經(jīng)驗、增強技術(shù)研發(fā)能力、國家助力品牌運營(yíng)、競技產(chǎn)業(yè)共同進(jìn)步”。
在2019年11月28日，由中國復合材料學(xué)會(huì )主辦的第四屆中國國際復合材料科技大會(huì )（CCCM-4）在珠海隆重舉辦，期間，“專(zhuān)委會(huì )”籌委會(huì )舉辦了體育器材分會(huì )場(chǎng)，分會(huì )場(chǎng)包括了碳纖維體育器材的現場(chǎng)展示與體驗和精彩紛呈的報告。
2020年的新冠病毒疫情為全球的體育運動(dòng)蒙上了一層陰影：各類(lèi)文體活動(dòng)大幅度減少，相關(guān)的體育器材企業(yè)由于訂單的減少，加上之前中美貿易戰的關(guān)稅，眾多企業(yè)正備受煎熬。我們希望：中國復合材料學(xué)會(huì )及國家體育主管部門(mén)，在這個(gè)艱難時(shí)刻，依然砥礪前行，全力推動(dòng)這個(gè)“強國計劃”落實(shí)。
碳纖維復合材料一直是國家產(chǎn)業(yè)政策的熱點(diǎn)，然而，我們一些主管部門(mén)，對航空航天復材應用青睞有加，對體育器材應用重視不夠，甚至是輕視。我們已經(jīng)多次上書(shū)：表達了“體育器材不僅是全球碳纖維產(chǎn)業(yè)的催生婆，更是中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的壓艙石”的客觀(guān)歷史與現實(shí)。
7.4. 汽車(chē)應用市場(chǎng)
對于汽車(chē)是否可能大批量應用碳纖維，這是目前行業(yè)最具爭議的話(huà)題。我們也多次表達了全壽命周期的“輕量化價(jià)值”的觀(guān)點(diǎn)。我們認為：這也是工業(yè)級碳纖維的大批量應用的“普世原則”，如果這個(gè)與其他現有材料的對比經(jīng)濟賬算不明白，就沒(méi)有批量應用的前提。
另外一個(gè)思維角度：碳纖維從來(lái)就在汽車(chē)領(lǐng)域存在，而且一直在發(fā)展，超級車(chē)（5000臺）、超豪華車(chē)（50萬(wàn)臺），豪華車(chē)(500萬(wàn)臺)，大眾型汽車(chē)（大約1億臺）。目前，碳纖維在超級車(chē)及超豪華車(chē)用途很廣，豪華車(chē)上也有一些碳纖維零部件。大眾型汽車(chē)的應用的先驅是BMW I3 （盡管I3的銷(xiāo)量只能算為豪華車(chē)類(lèi)別）。我們認為：從目前綠色環(huán)保要求及碳纖維復合材料的發(fā)展水平綜合考慮，碳纖維的主要市場(chǎng)是豪華車(chē)及以上市場(chǎng)。
對于新能源汽車(chē)，盡管電池昂貴，輕量化需求迫切，但是，只要是面向大眾的，都很難支付碳纖維復合材料的高昂的成本，除非是功能性的必須需求，比如燃料電池的氣態(tài)擴散層(GDL)及高壓氫氣瓶。
7.5. 壓力容器應用市場(chǎng)
2019年，燃料電池汽車(chē)依然是世界的熱點(diǎn)，對于碳纖維產(chǎn)業(yè)，主要的機遇是氣態(tài)擴散層及高壓氫氣瓶。
氣態(tài)擴散層（GDL）：目前的主流工藝是碳纖維紙與織物作為基體材料，與高碳基體材料結合碳化，形成碳碳復材，進(jìn)行疏水性處理之后，涂覆微孔碳微粉涂層。世界上主要的GDL廠(chǎng)家為東麗，西格里以及加拿大Ballard旗下材料廠(chǎng)。東麗與SGL這幾天都在大幅度擴產(chǎn)，價(jià)格依然高企與供不應求。我國也有一些企業(yè)從事GDL的研發(fā)與小批量制造，但是，缺乏碳纖維材料的基礎與支撐，這些企業(yè)是走不遠的，希望我們的碳纖維企業(yè)要重視這個(gè)材料的研發(fā)，否則這個(gè)材料會(huì )成為我國燃料電池“卡脖子”環(huán)節，影響氫能源產(chǎn)業(yè)安全。
高壓氫氣瓶：首先有別于其他氣瓶，燃料電池的氣瓶，比如要實(shí)現規模經(jīng)濟的成本，美國能源部的技術(shù)路線(xiàn)圖：碳纖維成本需要從現在的15美元/(kW?h)，降低到8美元/(kW?h)，換算成碳纖維成本，大約是需要實(shí)現T700或之上的性能，價(jià)格大約12.6美元/公斤（目前這個(gè)檔次的纖維國際價(jià)格是18-22美元/公斤）。這對現有的碳纖維產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新能力，會(huì )形成了一個(gè)巨大的挑戰。
7.6. 混配模成型應用市場(chǎng)
混配模成型（Molding& compound）嚴格講，不是一個(gè)應用市場(chǎng)，而是對工藝的描述，但由于這些工藝橫跨的應用多，所以，把它歸類(lèi)成一個(gè)應用，便于說(shuō)明?；炫洌╟ompound）是指非連續碳纖維增強塑料，主要包括短切增強和LFT。玻纖D-LFT在汽車(chē)領(lǐng)域的廣泛應用證明了這種復合材料形態(tài)的優(yōu)勢。模成型（Molding）主要是指片狀模塑料Sheet Molding Compound-SMC，團狀模塑料Bulk Molding Compound-BMC。由于回收碳纖維的加入，讓這些非連續形態(tài)的，已經(jīng)非連續形態(tài)加連續形態(tài)的混合結構，展現出一定的發(fā)展空間。
從事短切碳纖維增強塑料的，通常是改性塑料企業(yè)，比如SABI、RTP、POLYONE、COMPTEX、 POLYNT、廣東金發(fā)科技等。他們通常是從碳纖維企業(yè)采購短切碳纖維，采用雙螺桿混配造粒，然后在銷(xiāo)售給應用單位做注塑成型。這其中有較多的問(wèn)題：首要就是一個(gè)界面問(wèn)題，碳纖維生產(chǎn)廠(chǎng)家通常是將B等品，通過(guò)二次上漿，加工成短切纖維，原始的環(huán)氧漿料通常還包裹在二次漿料之內，在后續的高溫工藝中，環(huán)氧漿料會(huì )分解，對產(chǎn)品構成界面缺陷。另外一個(gè)重要問(wèn)題，從碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)到最終的注塑零件，中間環(huán)節太多，層層加碼，導致最終用戶(hù)的使用成本太高，這些都局限了短切碳纖維更廣闊的應用空間，如對這個(gè)產(chǎn)業(yè)及生態(tài)鏈一定程度的重整，可以迅速擴大應用面及用量。
7.7. 建筑應用市場(chǎng)
本領(lǐng)域是一個(gè)廣泛意義的建筑，不僅包括我們通常意義的建筑，也包括了建筑機械、橋梁、隧道及工業(yè)管道等，復合材料的應用主要有如下幾個(gè)領(lǐng)域：1.建筑橋梁的補強：2.藝術(shù)型建筑的主體結構；3.建筑機械； 4.橋梁：5.抗震防震建筑：6.管道補強。
上述應用市場(chǎng)中，有80-90%的碳纖維用于建筑橋梁的補強。早期的加固用碳纖維產(chǎn)品完全依賴(lài)于從以日本東麗為代表的歐美日等發(fā)達國家廠(chǎng)商進(jìn)口，直至21世紀初隨著(zhù)我國工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展，逐漸出現國產(chǎn)碳纖維布、碳纖維板等加固材料?，F階段基礎設施加固材料領(lǐng)域除福瑞斯、西卡、東麗等國外品牌。以上海悍馬為代表國產(chǎn)品牌正在快速崛起并逐步被國內外市場(chǎng)廣泛認可，這些行業(yè)優(yōu)質(zhì)企業(yè)的崛起，也對曾經(jīng)混亂的國內市場(chǎng)做了一場(chǎng)洗牌，“魚(yú)龍混雜”的狀況有了根本性的改變，市場(chǎng)集中度加強，更利于這個(gè)行業(yè)的持續健康發(fā)展。
7.8. 碳碳復材應用市場(chǎng)
2019 年，碳纖維在碳碳復材領(lǐng)域是平穩增長(cháng)，主要市場(chǎng)是：剎車(chē)盤(pán)市場(chǎng)：國際的主要企業(yè)是：法國的Messier-Bugatti 公司、美國的Honeywell 公司、B.F. Goodrich 公司、Goodyer 公司和英國的Dunlop 公司。中國的飛機剎車(chē)盤(pán)主要有中航飛機股份有限公司西安制動(dòng)分公司、博云新材、西安超碼等廠(chǎng)商。航天部件：主要企業(yè)是國內航天的相關(guān)院所，碳碳復合材料以其優(yōu)異的性能成為大型固體火箭喉襯、發(fā)動(dòng)機的噴管、擴散段，端頭帽等的首選材料；熱場(chǎng)部件：國際企業(yè)是德國的SGL公司，日本的東海碳素公司等；國內從事碳碳復合熱場(chǎng)材料的單位包括西安超碼、航天睿特、博云新材、中南大學(xué)、南方搏云等。預制體是碳碳復材重要的制造環(huán)節，國內的主要企業(yè)是：中材科技南京玻璃纖維研究院、江蘇天鳥(niǎo)高新技術(shù)有限公司、天津工業(yè)大學(xué)復合材料研究所、江蘇飛舟高新科技材料有限公司。
上述市場(chǎng)中，最大的熱點(diǎn)是熱場(chǎng)部件的高速增長(cháng)，據國內預制體龍頭企業(yè)，江蘇天鳥(niǎo)繆云良總經(jīng)理介紹：國內市場(chǎng)2019年增長(cháng)了25%。
7.9. 電子電氣應用市場(chǎng)
2019年，電子電氣領(lǐng)域，市場(chǎng)在平穩增長(cháng)。
首先是功能性應用領(lǐng)域：短切碳纖維增強塑料具有防靜電、電磁屏蔽等功能在復印機、打印機、數碼相機、數據傳輸電纜接頭等產(chǎn)品早已經(jīng)有成熟應用，對比其他的如炭黑、金屬等類(lèi)似材料，碳纖維增強塑料的成本降低，會(huì )帶來(lái)這個(gè)市場(chǎng)的穩定擴展。
力學(xué)增強方面：主要的產(chǎn)品形態(tài)有長(cháng)碳纖維增強塑料（LFT）和連續碳纖維增強材料。LFT其實(shí)是一個(gè)介于短切與連續之間、兼顧了成本與性能的一個(gè)很有前景的產(chǎn)品形態(tài)，然后，熱塑界面的問(wèn)題，如何在塑料中保持較長(cháng)的長(cháng)度及均勻分散問(wèn)題，這些技術(shù)障礙阻礙了這個(gè)產(chǎn)品的更廣闊的應用。連續碳纖維增強材料，主要是用于輕薄筆記本的殼體，其中有經(jīng)典工藝的熱固殼體，也有熱塑殼體。
2019年，電子電氣領(lǐng)域對碳纖維需求重大增長(cháng)是：液晶平板顯示器生產(chǎn)過(guò)程的機器人的輕量化。大面積平板玻璃在生產(chǎn)線(xiàn)的轉運及儲存一直采用碳纖維牙叉，這是高模量瀝青碳纖維的天下，就是要防止移動(dòng)平板玻璃過(guò)程中的振動(dòng)，目前這個(gè)思路已經(jīng)延展到支撐牙叉的結構上，利用碳纖維復材的輕質(zhì)高強，更好地服務(wù)于平板玻璃搬運的平順。
5G基站對材料的需求也是行業(yè)的熱點(diǎn)，對于碳纖維材料，除了有特殊輕質(zhì)高強要求的通訊塔建設和局部的需要電磁屏蔽的部件，對碳纖維復合材料有需求可能，我們還沒(méi)有看到其他的機遇。
7.10. 船舶應用市場(chǎng)
目前，船舶領(lǐng)域對碳纖維的需求主要是：競賽類(lèi)船舶、超豪華游艇、高速客船及軍事用途的船舶。多年來(lái)，除了競賽類(lèi)船舶，不斷追求復合材料新工藝及新技術(shù)，其他船舶的發(fā)展缺乏熱點(diǎn)。
人類(lèi)在探索海洋資源時(shí)，有一個(gè)從近海到深海到超深海的過(guò)程，比如海上石油的開(kāi)采，近海還可以采用陸上固定井的思維，到深海及超深海，就不得不發(fā)明各類(lèi)特殊的船舶，以獲得更好的經(jīng)濟性。同時(shí)，深海的特點(diǎn)，對傳統陸上采用的金屬材料會(huì )有很大的挑戰，這就為碳纖維復合材料提供了巨大的機遇。
除了海洋石油，近幾年，海上風(fēng)電蓬勃發(fā)展，盡管目前主要在近海的淺水，借用陸上風(fēng)電的思路，做固定塔筒，我們相信，隨著(zhù)近海資源的消耗，或者技術(shù)的變革，漂浮式風(fēng)電一定會(huì )成為必然。漂浮式風(fēng)電與漂浮式石油平臺還是有一定的區別，這就需要船舶系統開(kāi)發(fā)新型的風(fēng)電漂浮平臺，如何固定這些平臺，可能會(huì )為碳纖維復合材料帶來(lái)新的應用機遇。
7.11. 電纜芯應用市場(chǎng)
2019年，我們統計的全球需求是1,100噸。
2019年，美國CTC公司授權了巴基斯坦的特許制造商，繼續擴大其市場(chǎng)應用。據CTC網(wǎng)站消息，到2019年，他們總共在全球建設了750個(gè)ACCC導線(xiàn)項目，總共完成的電纜里程接近10萬(wàn)公里。2020年初，該公司宣布ACCC InfoCore?系統和首次商業(yè)部署，該系統可快速、準確地確保ACCC? Conductor的正確安裝。
國內電纜芯方面，2019年國家電網(wǎng)的一條電纜發(fā)生斷裂事件后，整個(gè)國電網(wǎng)的建設計劃暫停，這對行業(yè)產(chǎn)生了一些不良影響，2020年有望恢復重新建設。中復集團前董事長(cháng)張定金先生介紹：整對電纜芯品質(zhì)問(wèn)題，中復集團采取了兩個(gè)創(chuàng )新工作，一是在電纜芯預埋光纖，可以實(shí)時(shí)監控電纜芯的品質(zhì)情況，另一方面，對于CTC推崇的大直徑、單根芯材，變成多根、小直徑芯材的組合體，這樣可以增強柔性，同時(shí)減少可能破化的擴展，組合體依然可以保持設計強度，正常服役。他們正在驗證上述的技術(shù)創(chuàng )新，一旦達成，將促進(jìn)中國電纜芯市場(chǎng)的發(fā)展。另外，同樣的思路，也為碳纖維橋梁纜提供新的機會(huì )?！?/p>
7.12. 其他應用市場(chǎng)
軌道交通
這幾年，在中車(chē)的牽引之下，利用碳纖維復合材料對軌道交通做輕量化的研發(fā)工作進(jìn)展很快并卓有成效。在德國舉行的柏林國際軌道交通技術(shù)展（InnoTrans 2018）上，中國中車(chē)正式發(fā)布新一代碳纖維地鐵車(chē)輛“CETROVO”，同期，中車(chē)長(cháng)春軌道客車(chē)研制的復合材料輕軌車(chē)-武漢東湖“光谷量子號”在長(cháng)春軌道交通展上首次向公眾展出。2019年底，新一代碳纖維地鐵在廣州試跑。中車(chē)青島四方與國內多家碳纖維復合材料企業(yè)合作，共同開(kāi)發(fā)車(chē)頭罩，設備艙裙板等構件。軌道交通，尤其是高鐵的的工況是非常復雜的，所以，需要長(cháng)時(shí)間積累相關(guān)的數據與經(jīng)驗。短期內，很難對碳纖維的需求帶來(lái)較大增量。這是一個(gè)具有中國特色、重大意義的碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)，社會(huì )各界應充分重視這個(gè)應用生態(tài)的開(kāi)拓，長(cháng)期堅持，必有巨大回報。
碳纖維功能材料
如上面說(shuō)提及的燃料電池的氣態(tài)擴散層（GDL），碳纖維的功能性應用將會(huì )有巨大的發(fā)展，尤其在儲能電池領(lǐng)域，碳氈（石墨氈）作為液流電池的電極材料，已經(jīng)在廣泛使用；在碳氈的基礎上生長(cháng)碳納米管，替代鉛酸電池的鉛板電極，煥發(fā)了古老鉛酸電池的青春，正在快步工業(yè)化與商業(yè)化；鋰離子電池中，已經(jīng)有很好的多微孔碳纖維材料的實(shí)驗室產(chǎn)品，可以提升鋰離子電池的能量密度。
08
觀(guān)察與思考
1. 對中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本看法
1.1.“小絲束”與“大絲束”并非技術(shù)上的高低，而是商業(yè)驅動(dòng)的不同品種
制備小絲束與大絲束的技術(shù)有較大的不同：從我國企業(yè)從事小絲束的研發(fā)過(guò)程看，3K是最容易的，到6K和12K難度就增加。而48K或以上的大絲束甚至巨絲束，無(wú)論是聚合紡絲，還是氧化碳化，主要由于高通量，就帶來(lái)很多復雜的技術(shù)與工程問(wèn)題。企業(yè)選擇大絲束品種重要的目標是追求低成本和大規模工業(yè)應用，這僅僅是一種商業(yè)的考慮，與技術(shù)高低沒(méi)有任何關(guān)系。這個(gè)道理，就如同汽車(chē)行業(yè)的“法拉利”與“大眾”，各具商業(yè)優(yōu)勢的品種而已，不存在高低之分。
數十年來(lái)，我國碳纖維跟隨日本企業(yè)（尤其東麗）的技術(shù)路線(xiàn)，在小絲束制備上，取得了較大的成效。然而對于大絲束的制備，總體系統技術(shù)層面，我國還基本還是“門(mén)外漢”，尚有大量的裝備及工程方面缺乏經(jīng)驗。而市場(chǎng)的需求是洶涌的，我們應奮力發(fā)展大絲束制備系統技術(shù)。
對于航空航天的市場(chǎng)，性能是首要因素；對于大多數碳纖維傳統民用市場(chǎng)（包括民用航空航天），性?xún)r(jià)比成為首要因素；對于大規模需求的前景市場(chǎng)，比如風(fēng)電、汽車(chē)、軌道交通，價(jià)格是首要因素。這三類(lèi)應用代表三種商業(yè)驅動(dòng)模式，一定會(huì )催生出各具商業(yè)價(jià)值的碳纖維品種。只有我們的碳纖維產(chǎn)業(yè)能分別滿(mǎn)足上述三類(lèi)市場(chǎng)的需求，形成各自規則的商業(yè)生態(tài)，我們的產(chǎn)業(yè)才能走出“千軍萬(wàn)馬過(guò)獨木橋”，“小、散、亂”，貌似產(chǎn)能過(guò)剩的被動(dòng)局面。中國的碳纖維企業(yè)的發(fā)展，一定要克服“抄作業(yè)”的毛病，看到某家的某個(gè)產(chǎn)品效益好，就一窩蜂上去干成“白菜價(jià)”，這種貌似自由市場(chǎng)競爭的行為，本質(zhì)是一個(gè)“郊區農貿市場(chǎng)”的認知水平，形成自己獨特的模式與效益，行業(yè)共榮，才是正道！
1.2.低成本技術(shù)是一個(gè)系統工程，大絲束只是選項
碳纖維的低成本技術(shù)系統，主要包括：A. 新型碳纖維前驅體化合物的開(kāi)發(fā)，B. 碳化結構形成機理及制備技術(shù)，C. 改良的制備技術(shù)，D. 工程及工業(yè)技術(shù)。
1.新型碳纖維前驅體化合物的開(kāi)發(fā)：日本NEDO在聚丙烯腈聚合時(shí)完成了熱穩定化，原絲生產(chǎn)線(xiàn)出來(lái)的纖維是預氧絲，原料的替代方面，主要思路有瀝青、聚烯烴及木質(zhì)素等，目前并未有重大突破。
2.碳化結構形成機理及制備技術(shù)：從丙烯腈到碳纖維的高效制備是當前的核心技術(shù)，目前的制備技術(shù)的能耗與排放巨大，基本是“殺敵一千，自損八百”的水平。這就隱含著(zhù)巨大的技術(shù)進(jìn)步空間。
3.改良的制備技術(shù)：主要是指提“束”（大絲束）與提“速”（高速）。這些手段的用意是：提高生產(chǎn)線(xiàn)的通量（產(chǎn)能）來(lái)攤薄成本。這其中隱藏著(zhù)一個(gè)重大的設定：投入及增產(chǎn)的邊際效益問(wèn)題，等投入大于或等于增產(chǎn)效益時(shí)，這類(lèi)改良技術(shù)就會(huì )停止，比如4米以上的寬幅碳化線(xiàn)的增產(chǎn)邊際效益如何？還有待驗證。
4.工程及工藝技術(shù)：比如適應于接絲與連續生產(chǎn)的原絲包裝，保證更長(cháng)運行時(shí)間的排廢技術(shù)，裝備廠(chǎng)房公用工程的折舊成本，整線(xiàn)的節能耗降成本，工程建設周期成本，工藝、操作及管理成本，產(chǎn)業(yè)鏈集成成本等。這些工程技術(shù)對低成本的貢獻巨大。
從上面的低成本技術(shù)系統中，可以發(fā)現：A與B無(wú)疑是底層技術(shù)，這是從根本上解決了低成本的問(wèn)題；而C中的“提束提速”是基于現有的底層技術(shù)上的改良選項；D工程及工藝技術(shù)是產(chǎn)業(yè)的工業(yè)保障。如果產(chǎn)業(yè)需要產(chǎn)生重大創(chuàng )新，應該加強研究A、B類(lèi)的底層技術(shù)的研究，這兒蘊藏著(zhù)低成本技術(shù)的寶藏。
1.3.低成本技術(shù)是大小絲束共同需要的基礎技術(shù)
“低成本技術(shù)是高技術(shù)”，低成本技術(shù)不是“粗制濫造”，人類(lèi)的任何科技產(chǎn)品，尤其是新材料，在其發(fā)展過(guò)程之中，通常會(huì )經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的“低成本技術(shù)革命”的洗禮之后，方能廣泛地造福人類(lèi)。低成本技術(shù)體系與生產(chǎn)要素價(jià)格的高低沒(méi)有關(guān)系，是一個(gè)純粹的技術(shù)行為；它是針對纖維制備過(guò)程中所有的成本要素的降低，這個(gè)降低過(guò)程并不是以犧牲性能與品質(zhì)為代價(jià)的，而是通過(guò)技術(shù)手段的增效降本；低成本技術(shù)本質(zhì)上是人類(lèi)對碳纖維制備的科學(xué)機理的更深刻的認識，用更高效節能的方式實(shí)現同樣或更高的目標，本身就是科技進(jìn)步的重要標志。日本東麗在日本的工廠(chǎng)，其所有生產(chǎn)要素的成本均高于中國，尤其是人工，但東麗的制備成本相對國內是有優(yōu)勢的，其核心就在于東麗領(lǐng)先全球的“低成本技術(shù)”。
1.4.低成本與高性能并非矛盾對立，協(xié)調統一是產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重大方向
當前，軍品的超高價(jià)格只是短期的、不可持續的行為。國際上也有軍品，比如波音公司，不光是民用飛機巨頭，也承擔了美國大量軍機的生產(chǎn)，對于同一款碳纖維，不可能在同一家公司賣(mài)出天壤之別的價(jià)格。超高價(jià)格的碳纖維解決了“從無(wú)到有”的階段性問(wèn)題，如果我們的先進(jìn)武器遠比美國的貴，這也對持續發(fā)展形成重大障礙，對于航空航天（無(wú)論軍民），美國政府也多次提出“低成本”要求與戰略。
目前，國際的干噴濕法的速度最高已經(jīng)到1000米/分，國內也達到了500米/分，速度地提升會(huì )帶來(lái)成本的降低，并不影響纖維的高性能；同理，對于濕紡工藝，東麗公司對ZOLTEK的原絲生產(chǎn)線(xiàn)提速一倍，國內的一些企業(yè)可以實(shí)現300米/分的速度，對碳纖維的性能無(wú)不良影響，反而促進(jìn)了性能的提升，速度本身不是性能與質(zhì)量的負面因素，因為提速而帶來(lái)的現有裝置與技術(shù)的不匹配，才是真實(shí)的負面因素。
1.5.催生低成本碳纖維的應用市場(chǎng)已經(jīng)具備，這是中國趕超的良機
中國的碳纖維市場(chǎng)有三大類(lèi)：
一是航空航天市場(chǎng)（規模估計在每年1400噸），目前國內外大約有6-7家碳纖維廠(chǎng)服務(wù)于此，規模小，成本高。
二是體育器材等傳統小絲束市場(chǎng)，2019年需求總量是22,640噸，進(jìn)口12,140噸，國產(chǎn)10,500噸，其中，精功碳纖維與中復神鷹與占了80%，兩家企業(yè)處于微利水平，這個(gè)分市場(chǎng)是全球絕大部分企業(yè)的生存空間，競爭最為激烈，其他在此的中國碳纖維企業(yè)均是虧損。
三是以風(fēng)電、軌道交通等蓬勃興起的工業(yè)應用市場(chǎng)，2019年的總需求13,800噸，進(jìn)口12,800，國產(chǎn)1,000噸。這個(gè)領(lǐng)域的國際對手是ZOLTEK、SGL，后來(lái)臺塑及DOWAKSA加入。
如果用現有的國內技術(shù)去競爭第二個(gè)市場(chǎng)，結果必然是慘烈的。第三個(gè)市場(chǎng)，國際上所有人，對這個(gè)工業(yè)應用的市場(chǎng)均看好。其中，不僅有“饑渴需求”，更具有“暴漲”的潛能，是一個(gè)可以快速培養國際碳纖維巨頭的好市場(chǎng)。到目前為止，中國只有精功碳纖維有涉足，國際競爭優(yōu)勢還未形成。
1.6.低成本技術(shù)碳纖維企業(yè)可能會(huì )對小絲束傳統市場(chǎng)重新洗牌
民用小絲束的國際市場(chǎng)售價(jià)基本在15-24美元/公斤，近幾年，大絲束的市場(chǎng)售價(jià)在13-14美元/公斤。隨著(zhù)低成本創(chuàng )新技術(shù)的發(fā)展，大絲束售價(jià)有望達到10-12美元/公斤，如果用10美元的能力去打擊15-24美元的市場(chǎng)，一定是慘不忍睹的局面。
東麗也是這么思考與做的，他們在收購了ZOLTEK 低成本大絲束技術(shù)之后，推出了Z600，就是用來(lái)清理上述第二市場(chǎng)的追兵，阻擊不斷蠶食他T700市場(chǎng)的競爭對手。精功碳纖維也是采用了類(lèi)似大絲束的思路來(lái)打小絲束市場(chǎng)，2019年成果斐然。
1.7.國際上大絲束的高性能化有望被航空航天廣泛采用
我們將拉伸性能接近T700的定義為高性能，目前，全球的高性能大絲束纖維牌號如下表：
腈綸稍作改造，可以作為大絲束原絲，如同ZOLTEK的做法，這類(lèi)碳纖維實(shí)踐證明是可以被廣泛的市場(chǎng)認可的，可稱(chēng)之為“腈綸基因”思路。世界還有一種存在，就是“原絲基因”的大絲束思路，采用原絲的精細化原則去建設，三菱與SGL就是這個(gè)做法，這個(gè)思路之下，高性能化是必然發(fā)展結果。
近幾年，中國的薄型預浸料技術(shù)發(fā)展迅猛，30-50GSM預浸料，有些地方做成“白菜價(jià)”了。48K以上大絲束做成絕大部分應用需要的克重預浸料并非難事。德國SGL的大絲束預浸料已經(jīng)開(kāi)始在空客350上使用?？梢灶A測：高性能大絲束會(huì )嚴重“侵入”航空航天市場(chǎng)，這對于要求成本的商用飛機、通用飛機及無(wú)人機而言，無(wú)疑是個(gè)喜訊。
2. 中國碳纖維戰略發(fā)展思考
2.1. 碳纖維在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的戰略地位需高度重視
碳纖維復合材料是一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)，主要包括原材料（碳纖維與各類(lèi)樹(shù)脂），中間制品或復合材料，復合材料結構及應用，其中的戰略重心是碳纖維，它是從源頭決定了后續的一切?；蛘哒f(shuō)，任何沒(méi)有碳纖維支撐的復合材料與應用均不可能成大氣候。這個(gè)結論有兩層含義：首先碳纖維企業(yè)會(huì )吞噬下游、兼顧大量的中間制品與復合材料，縮短產(chǎn)業(yè)鏈，直接到應用，大量投資中間制品或復合材料的企業(yè)需要考慮這個(gè)趨勢；第二層含義：因為碳纖維制備的技術(shù)的復雜性與投資規模龐大，今天，他可能有求于市場(chǎng)與應用，但明天，他一定是王者，他是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈及應用的游戲規則制定者，用戶(hù)并非永遠是上帝。其中的道理類(lèi)似于芯片對于電子行業(yè)的戰略意義。
2.2. 中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的主要問(wèn)題
中國碳纖維產(chǎn)業(yè)解決了“從無(wú)到有”，但普遍存在工業(yè)規模生產(chǎn)條件下的性能品質(zhì)的穩定性差，成本高于國際水平?！皬挠械絻?yōu)”具體的指標是什么？我們認為是形成國際競爭優(yōu)勢，可以步入世界強手之列，其中的具體路徑是“穩質(zhì)降本”。
2.3. 中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰略-三步走
綜合考慮全球的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)的格局，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)現階段的主要課題是“降本增效”，提升國際競爭優(yōu)勢，十多年來(lái)，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)在提升性能方面，取得了巨大進(jìn)步，今后幾年的重點(diǎn)發(fā)展是“降本”?；谶@個(gè)認知，關(guān)于中國碳纖維的總體發(fā)展戰略，我們建議采用“三步走”思路與步驟：第一步：“低成本大絲束”，第二步：“低成本高性能小絲束”，第三步“低成本高性能大絲束”。
低成本大絲束-擴市場(chǎng)：構建一個(gè)有國際競爭優(yōu)勢的制備技術(shù)平臺，切入高增長(cháng)工業(yè)應用碳纖維市場(chǎng)。纖維性能在T300上下，根據不同的應用量身定制。這個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)可以進(jìn)一步發(fā)展“巨絲束”（100K以上），進(jìn)一步降低成本，擴大工業(yè)應用需求。
低成本高性能小絲束-強能力：借鑒大絲束建立的低成本工程與工業(yè)體系，小絲束可以對自身的技術(shù)做一個(gè)有效的提升，獲得國際競爭優(yōu)勢，清理市場(chǎng)與競爭對手，提升市場(chǎng)集中度。
低成本高性能大絲束-新特色：借鑒小絲束的高性能傳統優(yōu)勢，大絲束企業(yè)可先發(fā)展高強品種，強度超過(guò)4.9GPa，進(jìn)入傳統碳纖維經(jīng)典市場(chǎng)，抓住氫氣瓶市場(chǎng)的巨大潛在需求；推進(jìn)高強中模品種，對標T800 或T1100G（增加拉壓比平衡與高韌），以性?xún)r(jià)比優(yōu)勢進(jìn)入航空航天軍工應用，實(shí)現高水平的軍民融合。
3.碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的建議
3.1.國家碳纖維科技發(fā)展戰略急需前瞻布局下一代碳纖維技術(shù)
國內碳纖維行業(yè)曾經(jīng)有一種說(shuō)法，該領(lǐng)域已無(wú)科學(xué)問(wèn)題，只有工程問(wèn)題。然而同期，日本政府正在組織研發(fā)“新一代碳纖維技術(shù)”，旨在成為10年后產(chǎn)業(yè)的新的技術(shù)體系，這個(gè)新一代技術(shù)的核心就是“低成本系統技術(shù)”。多年來(lái)，我們的科技發(fā)展思路是沿著(zhù)東麗的T300、T700、T800、T1000、M40、 M55、M60J的產(chǎn)品系列去規劃的，然而這些產(chǎn)品，東麗在1990年前就已經(jīng)實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化。如果我們的國家科技發(fā)展戰略依然去尾隨一個(gè)企業(yè)的40年前的產(chǎn)品發(fā)展路徑，這顯然是不合時(shí)宜的。我們的科技戰略急需從表面現象轉移到底層技術(shù)層面。
碳纖維始終有兩大類(lèi)永恒的科學(xué)問(wèn)題，第一是新型碳纖維前驅體化合物的開(kāi)發(fā)，第二類(lèi)是碳化結構形成機理及制備技術(shù)。人類(lèi)60年時(shí)間發(fā)展的碳纖維制備技術(shù)，是一個(gè)不折不扣的“高耗能、高排放”產(chǎn)業(yè)，碳纖維的制備成本遠遠高于其他成熟材料，這難道就是碳纖維的必然嗎？當然不是，僅僅從目前知曉的化學(xué)反應的計算，也不應該是如此“高耗能”的；從PAN基的替代品，就可以清楚，得率有辦法提升的，從而實(shí)現“低排放”。人類(lèi)距離掌握碳纖維的本質(zhì)，還有相當的距離。碳纖維可以從“節能減排”的總體目標去研究，列出一系列重大基礎研究課題。我們需要集中力量解決“卡脖子”問(wèn)題，更需要氣閑神定地堅守在基礎研究領(lǐng)域。畢竟這么多年，除了“兩彈一星”，我們在人類(lèi)工業(yè)文明史上的痕跡是乏善可陳。我們應該回歸到事物的本質(zhì)規律，制定長(cháng)期有效的科技政策，這才能讓我們?yōu)槭澜缣祭w維工業(yè)文明奉獻中國要素。
近20年中國狂飆猛進(jìn)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及對科學(xué)問(wèn)題的盲目的輕視，已經(jīng)裹挾了大量的科技人員，完全投身于并不見(jiàn)長(cháng)的工程與產(chǎn)業(yè)建設，碳纖維基礎科學(xué)研究能力正在退步與退化。如此之下，產(chǎn)業(yè)的自主創(chuàng )新與持續發(fā)展難以為繼。所以，我們需要重新凝練基礎科學(xué)問(wèn)題，重新出發(fā)。
2019年，一些地方與企業(yè)在籌辦“碳纖維復合材料國家創(chuàng )新中心”，對于這個(gè)國家級別、全行業(yè)的創(chuàng )新中心，國家的初衷是希望解決行業(yè)的共性科學(xué)技術(shù)及前沿課題，并為全行業(yè)的發(fā)展提供堅實(shí)的科學(xué)技術(shù)支撐。所以，組織形式上，應覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)絕大多數優(yōu)質(zhì)科技單位，鼓勵有實(shí)力、有國家責任的大型企業(yè)牽頭并多做貢獻；在投資結構上，建議用科技經(jīng)費投入，非盈利模式；決策機制上，以科技問(wèn)題為主導的理事會(huì )（聚集全國行業(yè)科技精英）決策機制。
3.2.中國碳纖維產(chǎn)業(yè)創(chuàng )造自身的應用生態(tài)環(huán)境
所有碳纖維人，都非常羨慕波音、空客對高性能纖維龐大的用量，都羨慕維斯塔斯對碳纖維巨大的用量，我們都希望我們能有自己的生態(tài)環(huán)境。上海市科委一位領(lǐng)導曾表達過(guò)一個(gè)觀(guān)點(diǎn)：一家企業(yè)的事就自己解決，兩家企業(yè)的事就合同解決，三家以上的事或行業(yè)共性的問(wèn)題，就需要社會(huì )或政府來(lái)協(xié)調解決。而碳纖維應用生態(tài)的建設，涉及多家企業(yè)的共同長(cháng)遠的利益，因為缺乏眼前利益的驅動(dòng)，市場(chǎng)機制就很難發(fā)揮作用，這就是政府可以高瞻遠矚及大有可為的領(lǐng)域。
我國碳纖維生態(tài)環(huán)境的建設非常有潛力
新材料的采用是實(shí)現產(chǎn)業(yè)升級換代的重要途徑。西方發(fā)達國家在不少領(lǐng)域，由于市場(chǎng)的不足，缺乏創(chuàng )新動(dòng)力。比如：大型橋梁、建筑與島礁建筑結構；高鐵為代表的軌道交通；大直徑海上風(fēng)電；陸上與海上油田開(kāi)采設備；以燃料電池為首的新能源汽車(chē)等等領(lǐng)域。中國依然蓬勃發(fā)展的特色產(chǎn)業(yè)需要新材料去實(shí)現升級換代。
全壽命周期輕量化價(jià)值的研究是應用的決策基礎
對于任何大規模碳纖維的應用前景，如果沒(méi)有較好的輕量化價(jià)值的支撐，均會(huì )落空。很多應用的輕量化價(jià)值是變化的曲線(xiàn)，比如汽車(chē)的節能減排的經(jīng)濟價(jià)值的評估。碳纖維產(chǎn)業(yè)依然處于嬰兒期，本身也有巨大的發(fā)展空間，尤其是針對工業(yè)規模應用的制備技術(shù)方面。輕量化價(jià)值的上升與碳纖維的成本的降低曲線(xiàn)有交點(diǎn)，這個(gè)應用才有采用碳纖維的可能。我們整個(gè)社會(huì )要抑制“跟風(fēng)口追熱點(diǎn)”的浮躁沖動(dòng)，平心靜氣地思考與分析機遇或是陷阱。前幾年，由于寶馬公司的碳纖維汽車(chē)，引發(fā)了國內的科研熱潮，其中冷靜的聲音完全被狂熱給淹沒(méi)了?，F在相關(guān)的項目，基本是蕭條的狀況。我們需要認真反思，避免重復錯誤的發(fā)生。
碳纖維與應用在互動(dòng)中實(shí)現成長(cháng)與發(fā)展
不同于傳統的成熟材料的合作模式，碳纖維材料，應用單位的輕量化工作，均有一個(gè)成長(cháng)與發(fā)展的過(guò)程，雙方均應以動(dòng)態(tài)的、發(fā)展的眼光來(lái)看待這個(gè)合作，要在合作過(guò)程中促進(jìn)各自的成長(cháng)與發(fā)展。這是國際上創(chuàng )新的基本規律。等待碳纖維成熟后再去應用是錯誤的思維，在應用中去促進(jìn)碳纖維的成熟才是正道?！案L(fēng)口追熱點(diǎn)”的另一面，就是“等待摘果子”。這是我們曾經(jīng)的“后發(fā)優(yōu)勢”與成功經(jīng)驗，但西方的發(fā)明與創(chuàng )造跟不上我們“摘果子”的速度了，好不容易有幾個(gè)“果子”，還高懸樹(shù)尖，摘不了。我們只能自己“種果子”了，您能期盼一粒種子明天就碩果累累嗎？你能看到一顆小樹(shù)苗沒(méi)有效益，就立即砍掉嗎？在對一些機遇的冷靜思考與分析之后，我們就要堅定地走下去，應用單位與碳纖維及復合材料企業(yè)，共同將這顆小樹(shù)苗培養成參天大樹(shù)。
