對碳纖維及其復合材料產業鏈發展現狀的反思――2

2　我國從聚丙烯腈到碳纖維復合材料產業鏈關鍵鏈段的發展現狀

2.1　碳纖維復合材料產業鏈
　　從聚丙烯腈到高性能碳纖維復合材料制品的應用，跨越形成了很長的產業鏈(見圖7)。其中每一鏈段都飽含高精尖的技術與品質。即使當今著名8大家碳纖維企業中，也找不出一家能真正全鏈打通并實現商業化運營。以下重點介紹我國在這條產業鏈上幾個重要鏈段的發展現狀。為落實系統論的思想，我們試從終應用起逆向介紹和分析，以期許業界同行們有新的啟示。
2.2　碳纖維復合材料應用現狀概況
　　(1)體育器材。該領域依然是碳纖維復合材料的大應用面，主體是分布在廣東、福建及山東的臺資OEM形式加工廠和本土體育器材廠家。采用碳纖維復合材料加工成釣魚竿、高爾夫球桿、自行車、網球拍等產品。體育器材由于品牌的原因，各種檔次復合材料均有其市場：既有高端的東麗T1000、M60J預浸料的銷售；也有中端的臺塑碳纖維和土耳其AKSA碳纖維；還有國內一些低端碳纖維在這個市場銷售。該領域普遍采用碳纖維預浸料和搓管工藝，該細分市場每年碳纖維消耗量約為5000t，相對穩定。
　　(2)航空航天及軍工。由于該領域涉及軍品部分長期受制于國外對碳纖維的嚴格監管控制，在利益驅使下，傾向于采用國產碳纖維，但必須通過嚴格和長期的評審考核來確定定點生產單位。而國產民用航空器(如民航機)的生產，通?？芍苯由暾堖M口到優質的碳纖維及其預浸料。盡管碳纖維復合材料已經被主管部門提到戰略的高度，但限于對碳纖維復合材料的設計、制造和應用驗證的水平、數據和經驗積累，我國飛機制造業要大量使用碳纖維復合材料還需待以時日，尚不可能像波音和空客公司那樣，對碳纖維復合材料產業形成巨大的推動力。據2012年4月26日報道，商飛公司旗下上海飛機制造工業公司與美國Cytec簽訂了為期10年的復合材料供應合同。我國該細分市場對碳纖維的消耗量大約是200～300 t／a，目前國內航空航天市場對國產碳纖維的主要需求是類似T300級小絲束碳纖維。
　　(3)碳纖維復合材料芯導線。對比傳統導線，碳纖維復合材料芯導線具有抗拉伸強度大、運行溫度高、線膨脹系數小、質量輕、耐腐蝕、減小磁損等優點，適合舊線路增容改造、新建線路、大跨距等電網工程。目前，碳纖維復合芯導線應用里程超過10000km，2006年至今已有100多條輸電線路掛線運行，總長超過5000 km，占復合芯導線輸電線路總里程50％以上?，F階段應用主要以線路增容改造為主，在新建線路中尚未大規模推廣。據業內專家稱，該電纜芯目前主要采用東麗T700―12K的碳纖維，每年約有500～800 t消耗量，這是一個值得期待的大市場。
　　(4)風電葉片用碳纖維復合材料。專家預測，當風電葉片長度超過40 m，就需要部分使用碳纖維。國際上Vestas在其44 m葉片的梁帽采用了全碳纖維；Gamesa在其42.5、44、87和90 m長葉片的梁帽上采用了碳纖維／玻纖混雜預浸料；Neg Micon在其40 m葉片梁帽上采用碳纖維；Nordex Rotor在其44和56 m葉片主梁采用了碳纖維；Repower在其126 m直徑的葉片的梁帽上采用碳纖維與玻纖混雜預浸料；Dewind在其40 m葉片的梁帽采用了預浸碳纖維；GE在其48.5 m葉片梁帽上采用碳纖維。國內南通東泰電工在其2 MW風機葉片的主梁采用了碳纖維，中材科技在其56 m葉片的主梁采用了碳纖維；中復聯眾在其39.2 m葉片主梁采用碳纖維。目前國內還有一些重要的風電葉片廠在考慮和試用碳纖維預浸料。風電葉片基本采用類似于T300～T400水平的大絲束碳纖維(48k或50k)，目前還沒有大絲束碳纖維的生產，所以主要依賴進口。當前，風電裝備制造商經營舉步維艱，碳纖維在該領域的大批量應用也非常艱難，可能的突破思路有兩條：是葉片結構設計上充分利用碳纖維的優勢，全面創新結構設計；第二，從葉片的設計要求看，碳纖維的模量(中模)是非常重要的指標，是與玻纖競爭的關鍵所在，開發中模大絲束，提升碳纖維的競爭優勢。
　　(5)交通工具(汽車、高速列車、船舶等)。碳纖維復合材料在國外著名品牌汽車(尤其是豪華汽車)中，已經得到長期和比較廣泛的應用。在節能減排的大潮流下，汽車輕量化的趨勢不可逆轉，尤其對于新型混合動力汽車。幾乎每家國外著名汽車廠商和碳纖維巨頭強強聯手，對碳纖維復合材料在汽車的應用都有宏偉的計劃，積極開發新型和專用的大絲束碳纖維，提升后續工藝效率，大幅降低碳纖維復合材料在汽車上應用的整體成本。然而，此舉在國內卻顯得比較冷清，估計原因是我國的中高檔汽車主要源自外資企業，很多研發在國外合資方總部完成；而國產的中低檔汽車廠商，由于價格原因，很難采用碳纖維復合材料。因此，這個領域應用的出路是積極爭取與有技術話語權的國際汽車大品牌合作。例如，目前已有臺商與歐洲高檔車廠簽約，除在歐洲設立公司外，已在大陸專設CFRP汽車組件OEM工廠，貨交歐洲原車廠。同時，臺商還認為大陸本身是高檔車大市場，加上電動車等項目，未來在CFRP汽車減重領域商機無窮，還有日本在設廠或OEM機會的可能。高速列車被稱之為地面飛行器，在安全范圍內的輕量化也是必然趨勢，但同樣存在于汽車類似的問題。高速列車依靠國際技術集成，在國際上異軍突起，借助這個機會，通過材料技術的革新，于高鐵技術，也是行內很多專家的共識。然而，要在高速列車上實現碳纖維復合材料化，推動起來還需要一個漫長的過程。這幾年，的船舶行業(包括豪華游艇)發展迅猛，對高性能復合材料已經形成一定的需求，但是由于成本的局限，也沒有被廣泛的采用，有待長時間去培育發展。
　　(6)建筑結構加固補強。國內結構加固補強市場約需碳纖維700～800 t／a，由于該領域用途受標準《混凝土結構加固設計規范》和《結構加固修復用碳纖維片材》對加固材料產品性能指標的嚴格限定，國產碳纖維力學性能指標有明顯差距，目前該領域所需碳纖維一部分依靠進口。而很大一部分則是由浙江海寧、江蘇宜興、山東德州一帶非良企業大量采購國產碳纖維(非合格品)或玄武巖纖維，通過假冒偽劣、以次充好、偷工減料的形式和以假亂真的手段大量制造和拋售加固材料，導致加固材料市場極度混亂，由此造成的工程隱患則更令人擔憂，因此，碳纖維材料在結構加固補強應用的技術優勢日漸式微，需求萎靡不振。
2.3　我國碳纖維復合材料層合固化工藝及其裝備
　　(1)層合固化工藝及其裝備。我國的碳纖維復合材料層合固化工藝及其裝備，是在玻璃鋼工業的基礎上發展的。比如哈爾濱玻璃鋼研究院、武漢理工大學、南京諾爾泰復合材料設備制造有限公司、航天43所等開發了多軸的纖維纏繞與拉擠設備，這些設備通過改造提升，也可基本適應碳纖維的纏繞與拉擠工藝。
　　國內早期就仿制美國和臺灣的搓管工藝及設備，從搓管機、薄膜纏繞機、抽芯機、拋光機、固化烘箱等，都實現了國產化可以滿足基本的體育器材類的管件制造。但隨著國內市場競爭加劇，為降低成本，這類設備質量或有下降趨勢。
　　(2)大型自動鋪纖(帶)機。由于西方對大型自動鋪纖(帶)機銷往實施嚴格的許可證出口管制，我國(尤其是涉及軍品)的企業很難進口到這樣的設備。  南京航空航天大學肖軍教授的團隊，長期研發自動鋪帶(纖)設備，并已經在國內一些用戶處使用，這是我國開拓先進層合工藝與設備的亮點。
　　綜上所述，我國高性能復合材料領域整體上尚處于起步階段，所以層合固化工藝及裝備還相當落后。很多先進的設備還必須依賴進口，而西方對很多高性能復合材料的層合裝備都實行嚴格的管制，成為制約新型碳纖維復合材料在我國普及、應用和發展的重要因素。
2.4　預浸、預制件和短切纖維的工藝與裝備
　　(1)預浸工藝及其碳纖維預浸料。碳纖維的預浸工藝有很多種。對于熱固性預浸料，主流是熱熔型性預浸工藝，通常采用樹脂膜制備與浸潤設備兩步法工序。熱固性預浸料的核心競爭力是針對不同應用的樹脂及其樹脂固化體系配方的開發、相關的預浸工藝及嚴格的品質管理體系。當前，除了極少數航空航天部門的預浸單位基本具備這個核心能力，其他預浸料企業基本還不具備較強或可與國外公司抗衡的競爭能力。盡管我國在預浸領域的著名專家張鳳翻研究員常年撰文和演講，告之預浸料行業的技術難點與門檻，但很多投資者依然存在著一個誤解：只要不惜重金買一臺好的設備，就可以順利進入預浸料行業。如果對預浸料的核心競爭力不做出充分的準備，這些投資的前景讓人堪憂。
　　碳纖維預浸料是銜接碳纖維與復合材料的為重要的橋梁，對于碳纖維企業，發展預浸料是不二的選擇。  預浸料業務的重大意義在于：可以及時把纖維品質信息向纖維生產部門反饋，協助纖維部門提升工藝性能，更深入理解市場對碳纖維的要求；進入復合材料領域，在纖維基礎上增加附加值，也能更好地適應碳纖維行情的波動對企業效益帶來負面的影響。
　　碳纖維企業上預浸料項目，須清楚地認識到預浸料部門不僅是一個獨立的盈利單位，它必須與纖維部門共存亡。因為企業在纖維上的投資是遠遠大于預浸項目的投資。如果這個預浸廠很“嬌貴”或唯利是圖，只能消化進口纖維，即使它能獲點利，但相比企業自產碳纖維的虧損，這點利潤沒有任何意義。所以，碳纖維企業建立的預浸料廠，必須立足于為本單位碳纖維服務。當前，我國所有廠家的碳纖維都處于“成長期”，綜合品質不堪與東麗比肩。所以，開發出適合本廠碳纖維的適用預浸料，并以預浸料帶動碳纖維的銷售，無疑是非常重要的戰略舉措。
　　(2)碳纖維預制件。預制件(Preform)主要是指把纖維預制成一定組織結構和形狀的“干的織物”，主要的工藝有：機織(Weaving平紋、斜紋和緞紋)、多軸經編(Multi―axle warp knitting)、編織(Braiding)、縫紉(Stitching)、三維機織(3D Weaving)等，是在傳統紡織工藝與裝備的基礎上發展起來的，有些織物要通過預浸工藝與樹脂結合而“變濕”，而有些可以通過樹脂灌注、RTM等工藝去與樹脂結合。這些預制件的主要目的是提高后段工序的工作效率。我國江蘇常州、宜興一帶有好幾家相當出色的織物制造商。高端的裝備主要依賴進口，而天津工業大學李嘉祿教授的團隊在三維編織(3D braiding)工藝與裝備的研發方面是亮點，三維編織裝備的發展將日益重要。
　　(3)短切及研磨碳纖維。短切及研磨碳纖維或是一種特殊形式的預制件，主要有4個方面的應用：①利用其強度，作為增強塑料和降重材料，替代玻纖增強不能滿足的高端市場；②利用其電與熱的傳導性，作為電子產品防靜電外殼；③利用其模量，作為新型的海上油氣田的漂浮材料-復合泡沫塑料的增強體，可以承受很大的壓力；④利用其與樹脂結合后的吸波或透波功能，成為雷達罩(支架)或隱身功能的材料。
　　8大碳纖維廠家中，基本都有短切和研磨產品。有的企業不光用B等品碳纖維生產短切料，也用很多A等品碳纖維生產。其實碳纖維短切和研磨是有很高技術難度的，不是手工剪切和沖床的作坊就能做好的產品。保持均勻的短切碳纖維定尺長度(規格在1～56 mm范圍)，保證對各種樹脂的分散性，以及保證生產連續運行，是一個很復雜的系統技術。
2.5　我國PAN基碳纖維產業現狀
　　據不完全統計，目前我國已有32～35家公司投入碳纖維的研發與生產。其中自己擁有原絲的有19家。如果按照已經購買了設備，已建成或在建的生產線統計，假如這些生產線全部建成并投產，碳纖維總產能可達到約1.6～2.0萬t／a，  “十一五”期間，企業、銀行和各級政府總共投入資金約100～120億元幣。該行業雖已經出現一些投資者退出和破產的現象，但仍不乏有新的投資者在進入。在生產碳纖維的型號和規格方面，目前所有的廠商中只有藍星公司生產24k碳纖維，上海石油腈綸事業部有大絲束的規劃，其他廠家主要生產12k或以下k數產品。絕大部分廠家宣稱，產品達到東麗T300的水平。至少有5家企業宣布產品達到東麗T700的水平，但在市場上鮮有批量的銷售。至少有4家企業宣布產品達到東麗T800的主要技術指標，其中一家江蘇的企業高調宣稱其在已率先攻克碳纖維生產線連續生產穩定性難題，甚至其碳纖維產品力學性能和離散系數超越了東麗T800的指標。目前除了北京化工大學，還沒有企業宣布高模量碳纖維(類似東麗M40)的生產。
　　目前國產強度3000 MPa左右12k碳纖維在市場的售價約120元／kg以下，土耳其AKSA公司A-42～A-49型號12k碳纖維的價格分別約135～145元／kg，同級別臺灣碳纖維價格類比土耳其約高出15％，日本三菱TR50S―12k碳纖維價格約155元／kg，而日本東麗T700―12k碳纖維價格較亂，約在180～200元／kg之間，如果按照東麗22～25美元／kg的國際價格，加上進口關稅和增值稅，到市場價格應該是200多元／kg，可能由于去年價格較低時，國內有存貨在今年拋售，或是導致東麗T700―12k價格混亂原因。上述價格讓幾乎所有碳纖維供應商無利可圖，尤其是國產碳纖維企業，很多廠家是低于成本價拋售，銷售越多，企業虧損越大。一方面是碳纖維生產線巨大的資金投入和存在大量的產品技術與品質問題令人糾結，另一方面是虧本銷售，碳纖維企業因此陷入了空前的困境。
　　人們不禁要問，國內碳纖維市場的低價格走勢是如何形成的?是國內碳纖維企業相互惡性競爭的結果?或是國外老牌碳纖維企業有意打壓新生的碳纖維產業?抑或處于成長期的我國碳纖維因品質不好，目前只能被市場邊緣化?但無論何種原因都不是我們所能掌控。唯有打破僵局，努力尋求突破“圍城”之路。
　　雖有一些企業已積極向碳纖維下游產業鏈開拓，快速進入預浸料及各類織物的加工，甚至是復合材料零件產品的制造。然而他們卻發現，進入這些行業后也面臨很大的技術問題，做出的產品品質、性能和性價比也不高，很難在市場競爭中獲勝或無法進入高端市場。到頭來是攤子越鋪越大，路子卻越走越艱難，企業或將陷入更大的困境。

3　以系統論的思想發展碳纖維復合材料
 
　　系統的通常定義是：有若干要素以一定結構形式聯結構成的具有某種功能的有機整體。系統論的基本思想，就是把所要研究和處理的對象當作一個系統，分析系統的結構和功能，研究系統、要素和環境三者的相互關系與變動的規律性。貝塔朗菲強調：任何系統都是一個有機的整體，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的性質。
3.1　企業要以碳纖維產業鏈系統為戰略基礎
　　碳纖維復合材料產業鏈每個環節的技術的關聯度是非常緊密的，可以說是環環緊扣，步步關聯，例子比比如是：如市場上沒有優質的、大批量和低成本的原絲，要想單獨建一個大型的纖維碳化廠可謂是“無米之炊”；而當碳纖維絲束獨立存在時卻是“英雄無用武之地”，只有與樹脂基體結合后才能充分發揮出其優異的力學性能和功能；即便是同樣品質的碳纖維，如在復合材料中的排列方式不一樣，其各自復合材料的總體性能差異就很大；碳纖維如與性能不匹配的樹脂復合，也不可能成為高性能的復合材料；即或所有基礎材料都是高品質和相匹配，但加工成型的設備和工藝不對，也不可能生產出高品質和高性能的復合材料……總之，在整個碳纖維復合材料產業鏈領域，無論是發展碳纖維產業，還是發展復合材料下游產業，我們的各級決策者應秉承系統論的思維與戰略尤為重要。不站在系統論的觀點盲目跟風去發展碳纖維，就很容易誤入迷途。同理，不對國內外碳纖維有清晰的認識，對高素質復合型人才缺乏了解，盲目發展高性能復合材料，也會陷入被動。
3.2　需從復合材料系統性降低成本來實現低成本化
　　國際上業界有一句流行的話：從原材料到碳纖維，價格從1變到3；把碳纖維加工成復合材料，價格可從3變到10。這句話表達了兩層含義：從碳纖維到復合材料，增加的附加值更多；碳纖維在復合材料中的成本是約20％～300％。但必須指出，所謂低成本高性能復合材料不是指絕對的低成本，必須要強調高性能價格比，而且要強調系統下的比較成本優勢，比如汽車用碳纖維復合材料，不光要計算其零部件本身的成本，更要計算組合安裝成本以及節能減排和綠色環保效應帶來的綜合效益。否則，只計算零部件的絕對成本，高性能復合材料肯定比傳統或常規的復合材料高出很多。
　　如前所述，要用系統論來看待和處理高性能結構復合材料。在這種思維指導下，我們可以發現大量的成本節省空間。比如，同樣一個結構復合材料，采用大絲束或小絲束碳纖維的問題，節約的成本可不光是纖維本身的價格差，后續預制工藝也在節約成本，甚至預浸鋪層工藝也會節約成本。從結構復合材料的設計開始，就必須充分考慮成本因素，如果設計師在各個環節缺乏相對精確的許用值，不斷加大安全系數，設計出的復合材料零件比金屬零件還厚重，那低成本就根本無從談起。
　　對于高性能復合材料，成本不僅可以控制，還可以設計。有大量原材料和成型工藝的排列組合可供設計師選擇，不同的材料工藝組合就有不同的成本。所以，高水平復合結構的設計人員，不光是優秀的技術人員，也應是精確的成本核算師。
　　人類在不停地提升碳纖維和樹脂的性能以及各種結構復合材料的成型工藝，優秀的結構設計人員應及時掌握這些信息和動態，不斷提升結構的性能與功能，以期獲取高性能價格比的產品。

4　借鑒國際碳纖維產業的發展模式，調整我們自己的發展觀念與思路

　　全有8家碳纖維大企業，各有其發展模式與特點。
4.1　小絲束碳纖維企業
　　日本的東麗、東邦和三菱3家企業比較類似，產品范圍比較全面，從標準模量、中模量到高模量，力學性能品級齊全，品種規格豐富，產能主要集中在小絲束，用于航空航天及高端體育器材，素以引領碳纖維發展“三駕馬車”著稱，尤其在進入節能減排時代后，日本這幾家著名碳纖維企業先配合波音和空客兩大飛機制造公司，相繼在B787夢想飛機和A380空中巨無霸大飛機上大量使用碳纖維復合材料，突破了民航大飛機上先進復合材料結構超過50％的革命性創舉。在此基礎上，他們分別主動與歐美、日系汽車企業強強聯手，搶占先機，大力發展新能源復合材料汽車。臺塑是1984年收購美國Hitco碳化技術后進入碳纖維領域的，主要生產12k碳纖維，產能規模排位第4，其碳纖維主要用于臺資企業的體育器材領域；美國Hexcel與Cytec均生產小絲束碳纖維，Hexcel有高強、中模碳纖維，Cytec只有普通品種的PAN碳纖維和上好的瀝青基碳纖維，這兩家公司在東麗進入波音公司前，其預浸料基本壟斷了美國航空航天復合材料(尤其是軍品)市場，同時還供應碳纖維復合材料零件。
4.2　大絲束碳纖維企業
　　美國Zoltek在1988年通過收購Stackpole Fibers進入碳纖維，1992年，Zoltek建立了條基于工業腈綸的連續碳化線，把戰略目標鎖定在低成本的工業應用；1995年，Zoltek收購了位于匈牙利的腈綸廠；1999年，Zoltek收購了4家復合材料企業，包括材料設計、預浸料和復合材料設備公司，努力向碳纖維下游突進；進入新世紀后，Zoltek在風電葉片領域銷售了大量的碳纖維及其碳纖維預浸料，同時，積極開拓汽車市場。德國SGL通過1997年收購英國RK Carbon進入碳纖維領域；1998年，與美國著名的高爾夫球桿公司Aldila合資建立碳纖維碳化廠，產能1100 t／a；2010年，與寶馬的合資公司在美國投資碳纖維碳化線，專用于寶馬汽車復合材料。同時，在大絲束領域令人矚目的是，日本三菱在產品開發中嬗變戰略，從小絲束跨界到大絲束領域，看好的就是蓬勃發展的國際風電產業市場和未來低成本、高性能碳纖維復合材料的發展方向，其60k大絲束碳纖維力學性能已達到東麗T700水平，并且SGL與寶馬合資在美國的大絲束碳纖維碳化線，所需原絲也是由三菱提供的。
4.3　要在反思中學會選擇借鑒適合自己的發展模式
　　通過了解和借鑒上述8家主要碳纖維公司的運營歷史與模式，值得我國碳纖維企業認真反思自己的發展模式。是否言必稱和行必效東麗?是否應該找一家更適合我們國情及企業本身條件的模式來學習?我們覺得碳纖維產業應該著眼于發展大絲束碳纖維，建議以20％／80％比例分配小絲束／大絲束的產能，除少數幾個科研單位或企業可以專攻特殊品級(如高強中模如東麗的T800和T1000，高強高模如東麗的M50J和M60J等)碳纖維外，其他大部分碳纖維廠家應該把戰略定位在大絲束碳纖維及工業化應用上。這是因為小絲束碳纖維的傳統市場如航空航天市場是一個緩慢和有限的發展過程，體育器材市場擴展空間也有限，有發展潛力的是能源、汽車等工業應用領域，必然是將來低成本大絲束碳纖維應用的廣闊市場。同時，隨著技術的成熟和市場應用的促進，大絲束不再是“低檔貨”的代名詞，如今大絲束力學性能不僅有T300級別的，也有T700強度級別和中高模量的。
　　日本友人曾形象的比喻，碳纖維生產猶如傳統的象牙雕刻，需要精雕細琢，而的現代工業文明正是缺失這種“一絲不茍”的文化因素，所以要想做出高水平的碳纖維是很困難的。從目前對碳纖維掌握的技術與管理水平看，大力發展大絲束碳纖維不失為明智和務實的選擇，也完全符合當今低成本碳纖維及其復合材料的發展趨勢，這一趨勢已從碳纖維在工業領域應用的今天，8大碳纖維企業中的大絲束碳纖維廠商迅速崛起得到印證。而且人的成本控制能力非常強，價格也是聞名四海，低成本大絲束碳纖維或將是我們可以在競爭中獲勝的主要法寶。