我国碳纤维发展起步和国外差不多时间,但起步后发展缓慢,直到进入新世纪,发展才有所突破。中国碳纤维发展可大致分为三个时期:起步期、挣扎期、产业化突破期。
我国研制聚丙烯腈基碳纤维始于上世纪60年代。1962年,位于吉林省省会的中科院长春应用化学所成立以李仍元为组长的“聚丙烯腈基碳纤维的研制”课题组,开展了大量基础研究。1972年,化工部吉林化工研究院开展硝酸法制备碳纤维PAN原丝研究,并在年产3吨装置上取得采用硝酸一步法制取的原丝,供山西煤化所和长春应化所研究碳纤维。山西煤化所以间接预氧化和碳化为研究方向,并开展连续预氧化和碳化试验。1975年,国家向吉化试剂厂(现合成树脂厂)下达研制与生产“741”产品(即碳纤维)的科研任务,在桂纯的带领下,科研小组按时试制、生产出合格产品。1975年11月张爱萍上将在北京召开了“7511”会议,牵头国内著名高校研究院、央企进行攻关。20世纪70年代后期,我国投入很大的财力和人力,力图突破碳纤维的技术难关,已能生产出公斤级、百公斤级的碳纤维。
1984年,上海碳素厂试图引进美国Hitco碳化设备,但最终被美国国防部否决。世界知名碳纤维公司均囿于“巴黎统筹条约”限制,不转让技术、不出售设备,当时只有英国R K公司同意出售大丝束预氧化炉和炭化炉,吉林化学工业公司购买了年产能力100吨(12K)的碳化设备及相应测试仪器,按当时汇率折合2731万元。1990年经多次试车,预氧化炉尚可,炭化炉始终没有办法运行。吉林化工研究院硝酸一步法到1998年终止生产,改与北京化工大学、长春工业大学合作开展DMSO一步法生产碳纤维原丝;兰州化纤厂硫氰酸钠法原丝生产2005年因停产而终止,改由上海石化腈纶事业部来发展;亚砜法由山西煤化所和北京化工大学推广,目前已建立多达10家以上原丝企业,技术来源主要为吉林石化和山西煤化所。二甲基乙酰胺法由吉林化纤和长春工业大学合作开发。从1975年开始到上世纪90年代,国内始终没突破从实验室到工业化的碳纤维技术,不能够实现规模化生产,碳纤维成了典型的卡脖子工程。
2001年1月师昌绪院士向中央递交了一份《关于加速开发高性能碳纤维的请示报告》,报告产生了较大影响,当年10月,科技部决定设立碳纤维专项。2003年初,国家自然科学基金委员会也批准两个碳纤维重点项目,2005年碳纤维项目被定为国家重大基础研究项目。
在政策支持及市场需求双线牵引下,国内一些非公有制企业也在最近一段时间参与到碳纤维行业中。最先取得突破的是威海光威,光威以渔具起家,后自主开发碳纤维预浸料,并饱受“卡脖子”之苦后决定开发碳纤维,经数年研发,终于在2005年研制出CCF300级碳纤维,一举打破了国外垄断。2006-2008年,中复神鹰、江苏恒神、中简科技相继在江苏成立,并探索出自己的碳纤维技术,江苏成为了国内碳纤维产业高质量发展高地。2007年蓝星收购英国考特尔兹公司,2008年兰州蓝星碳纤维成立。2007年中国石化决定开发PAN基碳纤维,并把任务交给上海石化,2009年上海石化研发出12K原丝,并进一步建成500吨/年碳纤维装置。吉林研究碳纤维的时间比较久,基础较好,2017年吉林化纤和绍兴精功在碳纤维及其复合材料方面达成战略合作,计划抓住大丝束碳纤维这一突破口,分工合作,吉林碳谷搞原丝、精工科技搞装备,新成立的绍兴精功和吉林精功搞碳化,这样分工也符合中国碳纤维产业的传统模式,但后来精功科技财务出现问题,被迫将其碳纤维板块出售给宝武,成立宝旌公司,至此前面的分工合作平衡被打破。
2017年之后,随着风电、光伏、氢能等新能源领域碳纤维应用的迅速增加,再叠加2020年东丽被日本政府处罚导致断货很长时间,国内碳纤维生产企业迎来了很好的发展机遇,2021年国内碳纤维行业首次实现全行业盈利。这种情况下,传统优势企业争相扩产,行业中也出现更多新进企业。
江苏省是我们国家的经济最发达的省份之一,具备良好的工业基础和技术能力。江苏碳纤维产业发展较早,产业基础较好。2006-2008年,中复神鹰、江苏恒神、中简科技等碳纤维有突出贡献的公司陆续成立。依托江苏的产业优势,江苏碳纤维产业发展迅速,2019年起成为国内碳纤维需求量第一的省份。目前江苏碳纤维用量最多,超全国1/3;国内以碳纤维为主业的上市企业共三家企业:光威复材(山东威海)、中简科技(江苏常州)和中复神鹰(江苏连云港),江苏占两家;另外,江苏的碳纤维产能位居国内第一,江苏的碳纤维及复合材料产业布局是合理的,目前江苏已形成了常州、连云港、无锡宜兴、镇江丹阳、苏州等有聚集效应的地区,其中以常州最显著,碳纤维及复合材料产业集群已经初步形成并具有一定影响力。省内碳纤维及复合材料重要研究机构有南京航空航天大学、江苏产业研究院下属多个专业所、南京玻璃钢研究院等。江苏产业研究院和常州共建长三角碳纤维及复合材料创新中心和江苏集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院,新创碳谷和常州工学院共建有碳纤维学院。
江苏的碳纤维上下游产业链比较齐全,覆盖从上游石油炼化的丙烯腈到原丝、碳纤维、中间品、到下游制品、回收,检验测试及装备等。近年来江苏省碳纤维产业取得长足进步,产量总体提升较快,连云港的中复神鹰和常州的新创碳谷都已经建成万吨以上的碳纤维装置。但从技术、成本和装备等方面,相较日本、欧美等发达国家尚存在不小差距。同时江苏也存在碳纤维产业外迁的问题,如中复神鹰受资源依托性影响,其在江苏本部之外到青海西宁扩产;恒神被陕煤收购,也在考虑去西部发展。
吉林省从上个世纪60年代开始就研究开发碳纤维,是中国老牌的碳纤维基地,有国家科技部认定的全国国家级碳纤维高新技术产业化基地。吉林省的碳纤维产业大多分布在在吉林市,以吉林化纤为龙头骨干企业。吉林市为了推动碳纤维产业的发展,以经开区为核心,以龙潭区和舒兰市、永吉县和磐石市为“两翼”,集聚了25家碳纤维行业企业,如吉林化纤、国兴碳纤维、吉林碳谷、凯美克等,吉林碳纤维产业在原丝、碳纤维等上游优势显著,目前正以从“丙烯腈—原丝—碳纤维—中间材料—复合材料—制品”的比较完整的碳纤维产业链条为目标,着力打造吉林碳纤维产业基地。同时吉林市还成立了以市领导牵头的碳纤维工作小组,并在科技局下设碳纤维处具体指导相关工作。省内碳纤维及复合材料重要研究机构有吉林大学、长春工业大学、中科院长春应化所,吉林化纤集团与吉林化工学院合作共建的碳纤维及复合材料产业研究院和现代产业学院等。
山东碳纤维产业历程相对较长,其中最著名的是威海的光威复材。光威以生产传统钓鱼竿起家,后来开发并生产碳纤维钓鱼竿,九十年代企业围绕产业链向上游原料端发展,相继开发了碳纤维预浸料和碳纤维,2003年开发出T300级碳纤维。目前,山东形成了威海、德州两个产业基地,有名的公司有光威复材(含拓展纤维)、江山碳纤维、双一、联合拓普等,其中渔具和军工应用是其两大特色。当前,山东省正大力建设以威海为龙头的世界级军民两用碳纤维及复合材料基地,加快领军企业培育壮大,形成千亿级产业规模。威海为了培养碳纤维行业人才,在省人社厅指导下,制定发布了《关于印发碳纤维复合材料工程技术人才职称评审实施意见的通知》(威临港发〔2021〕25号),在临港区试点开展碳纤维复合材料工程技术职称评审,打破地域、户籍等限制,面向全省同行业专业方面技术人才,评审结果全省通用。这是国内首创。省内碳纤维及复合材料重要研究机构有山东大学、哈尔滨工业大学威海分校等。
台湾碳纤维产业是从应用端发展起来的。上世纪70年代,碳纤维开始在体育制品上尝试应用,台湾企业家在研究过程中开发出低成本碳纤维预浸料和“吹气模压”工艺。借助创新工艺和良好的产业高质量发展态势,台湾碳纤维体育制品异军突起,成为全世界主导的OEM厂家。随着碳纤维体育用品的壮大,台湾地区对碳纤维的需求量也逐渐加大,由于国际碳纤维供应的不稳定,台湾开始开发碳纤维。台塑成为台湾开发碳纤维的鼻祖,1981年台塑设立碳纤维研究中心,1984年台塑与美国Hitco公司开展技术合作,并于上世纪80年代末期拥有了从聚丙烯腈聚合和纺丝到碳纤维制备的全套技术,逐步成为仅次于东丽(含卓尔泰克)、帝人、三菱的全球第四大碳纤维生产企业。随着全球风电大发展,台塑还开发出适于风车叶片的大丝束碳纤维,并成为大丝束碳纤维的主要供应商之一。目前,台塑集团碳纤维TAIRYFIL(台丽)年产能达到8750吨,是全球几大碳纤维企业中从炼化、原丝到碳纤维生产的产业链齐全的企业。
在此过程中,台中慢慢的变成为台湾的碳纤维工业中心(号称:台湾碳谷),形成了从运动器材到航空航天、3C、医疗器械及新能源等产业集群,包括从原材料供应商(台塑碳纤维厂)一直到中游编织(台湾电缘)、预浸料(明安),到数百家下游制品厂,如世界最大的碳纤维运动器材公司拓凯(碳纤维自行车、高尔夫球头、CT医疗床板等产品世界第一)、世界前三碳纤维自行车零部件制造商速联、世界最大的碳纤维棒球棒制造商森湖以及汉翔航空等。2014年,位于台中的逢甲大学凭借其独特的优势成立了碳纤维研究中心,2017年,又在中心基础上成立碳纤维产业联盟,并积极和产业界进行产学研合作,提升碳纤维及碳纤维复合材料产业的竞争力。其他碳纤维及复合材料研究机构还有工研院、(台湾)中科院一所、塑胶工业技术发展中心等。
上世纪90年代起,台湾的碳纤维体育制品企业陆续开始在华南沿海地区建厂,如拓凯在厦门设立新凯、复盛在中山设立广盛、龙台在深圳、惠州设立龙亿、波力设立深圳工厂等,这些台资企业成为华南地区第一批碳纤维制品企业,为中国大陆带来了早期碳纤维制品技术、培养了经营人员,经过数十年发展,福建厦门、广东深圳和东莞成为国内碳纤维制品比较集中,中小企业众多、活跃度非常高的地区。华南地区碳纤维产业大多分布在在制品领域,特别是体育器械、电子和3C产品,近年来该地区碳纤维产业也在向其他领域拓展和向上游延伸。除上述一些台资企业,还有广州赛奥、广州博汇、珠海三臻、厦门鸿基伟业等知名本土企业。
上海石化作为国内最大的腈纶生产企业之一,率先开展对碳纤维的交流调研和技术探讨研究工作,并积累了一定的经验。2007年,中国石化决策部署PAN基碳纤维的研发和产业化攻关工作,并将建设项目落在上海石化,2009年3月,上海石化成功研制出12K原丝。2012年9月,上海石化采用自行开发的国内独有硫(NaSCN)水溶液湿法工艺、拥有自主知识产权的成套技术,建成并投产年产3000吨原丝、1500吨碳纤维项目一阶段工程,形成年产3000吨聚合物、1500吨原丝、500吨碳纤维的工业化生产能力。目前,上海石化已启动1.2万吨大丝束碳纤维项目,一期2000吨工程已建成。除上海石化外,上海知名的碳纤维复合材料企业还有上海晋飞、悍马建筑、培生船艇等,下游应用有商飞、上海电气,其他的还有波客、上航检测等设计、检测验证单位。世界知名碳纤维企业如东丽、帝人、SGL在上海均设有办事处。碳纤维及复合材料重要研究机构有东华大学、上海交通大学、复旦大学及商飞复材中心、中石化上海研究院、上海航天八所、上海玻璃钢研究院等。
除上述地区外,国内另外的地方的碳纤维产业也逐渐发展起来,如湖南依托中南大学黄伯云团队,进行碳碳材料开发,并孵化一家上市公司“金博股份”;陕西的碳纤维复合材料产业在军工和航空方面具有较强优势,如西北工业大学张立同院士团队孵化的西安鑫垚,其他还有西安超码、西安富瑞达等;浙江近年来也涌现出宝旌碳纤维、精工科技、抟原复材等行业内有名的公司,此外在嘉兴桐乡、海宁有多家有一定优势的复材企业,如安捷在建筑加固、波力在体育制品等方面。
此外,随着这几年碳纤维的加快速度进行发展,很多东部碳纤维优势企业,去西部地区投资,如中复神鹰在青海西宁、光威复材在内蒙古呼和浩特、江苏恒神在陕西榆林等都投了碳纤维项目,促进了当地的碳纤维发展。返回搜狐,查看更加多
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