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    2. 行業研究
      我國碳纖維產業現狀及發展前景
      發布時間:2021/11/23 00:00      來源:中國化學纖維工業協會      分享:

      | 靳高嶺

       

      碳纖維是一種碳含量在90%以上的纖維材料,有著“輕質高強”的性能,比重只有鋼材的五分之一左右,但強度可以達到鋼材的5~7倍,且具備耐高溫、耐腐蝕、導電導熱性好等特性,是發展航空航天、新能源、高端裝備制造等高科技產業的重要基礎材料,也是制造火箭、導彈、戰斗機、海軍艦艇及多種尖端軍事武器中必備關鍵材料,在國防軍工領域有著不可替代的戰略地位。

      碳纖維作為軍民兩用關鍵新材料,多年來,由于發達國家實行技術和產品的雙重封鎖,我國一直處于受制于人的狀態。我國于20世紀70年代開始產業化應用,但因為當時制造工藝不成熟、用量少導致成本昂貴。當時主要應用在軍工等領域。近20年,碳纖維開始在全球制造業各行業運用,未來的趨勢是大規模代替金屬材料。

       

      碳纖維行業發展現狀

       

      2005年以來,經過政府有關部門和企業通力合作,高性能碳纖維國產化取得了突破性進展,在產業規模、核心技術、產品質量、應用拓展和經濟效益等方面取得了令人矚目的成就。

      在2020年受新冠疫情持續影響及經濟下行沖擊,高性能纖維行業積極應對,抓住國外相關企業因疫情影響無法正常生產以及國內市場需求增長帶來的機遇,加強科技創新和產品質量提升,在技術水平、應用規模、項目建設等方面均取得了重大進展。

       

      技術水平持續提升,縮短國內外水平差距

      我國碳纖維產業已經由實驗室研發進入到快速發展階段。目前已形成了相對穩定的碳纖維國產化技術體系,聚丙烯腈基碳纖維原絲生產工藝體系實現多元化,碳纖維核心技術不斷突破,產業化裝備自主能力持續加強。

      蘭州藍星纖維有限公司“千噸級NaSCN法50 K大絲束碳纖維產業化關鍵技術及裝備研究” 通過技術成果鑒定,填補了國內50 K碳纖維產品的市場空白;中科院寧波材料所成功研制出QM65(M65J級)高強高模碳纖維,纖維拉伸強度和拉伸模量分別高達3 857MPa、639GPa。江蘇恒神股份有限公司通過國際權威認證機構DNV·GL頒發的24K碳纖維、碳纖維織物和碳纖維拉擠板認證;威海光威復合材料股份有限公司自主研制的碳纖維復合材料,已應用于AR-500C無人機。這些成果使得我國碳纖維產業整體技術水平進入國際先進行列,用約15年的時間縮短了與發達國家30多年的差距。

       

      產品規模居世界前列,國產替代進口趨勢明顯

      目前,中國大陸碳纖維正在運行的產能約為26 500噸,2019年中國大陸碳纖維產量約為12 000噸,產品可覆蓋高強、高強中模、高模、高強高模型碳纖維(主要品種相當于T300級、T700級、T800級、T1000級、M40級、M40J級、M55J級等),碳纖維產能產量居世界第二位。

      在軍民應用同步牽引下,國內碳纖維應用快速增長,2019年國內應用總量達到37 840.6噸,特別是風電葉片用量達到13 800噸,不僅成為拉動我國碳纖維應用的主要驅動力,同時滿足了國際風電葉片的使用需求。體育休閑領域用量約14 000噸,建筑補強領域用量約2 000噸,壓力容器用量約1 500噸,民用領域用量逐年增加。

      此外,國產碳纖維在航天航空、國防軍工等高端領域用量實現逐步增長。其中國內航天航空領域(含軍工)用量約為1 100噸,使用國產碳纖維約300噸,占比提高至27.2%。

      表1?2005~2019年我國碳纖維產能產量情況表


      2005年

      2008年

      2010年

      2016年

      2017年

      2018年

      2019年

      產能

      ≈300

      2 785

      6 445

      20 100

      26 000

      26 800

      26 500

      產量

      ≈10

      426

      1 500

      4 000

      5 400

      8 000

      12 000

      資料來源:中國化學纖維工業協會整理。2019年數值為運行產能,之前均為理論產能。

       

      2020年碳纖維及制品進口量為30 351.6噸,加工貿易和一般貿易分別占58.9%和39.3%,加工貿易中進料加工占99.8%。日本是最大的進口來源國,進口量為7 531.6噸,同比下降2.1%,占進口總量的24.8%。自中國臺灣進口量為7 299.0噸,同比增長28.8%,占進口總量的24.1%,國產碳纖維已經逐漸得到國內市場廣泛認可。從表2中數據來看,2009~2019年,我國碳纖維(含制品)應用總量由7 888.5噸增加到37 840.6噸,其中國產碳纖維用量占比由2009年的12.7%增長至31.7%。碳纖維技術水平最高的日本、美國等國家進口量占比逐年下降,說明國產碳纖維替代進口已成為必然趨勢。

      表2?2009~2019年我國碳纖維應用總量情況表

      年份

      2009年

      2012年

      2015年

      2016年

      2017年

      2018年

      2019年

      應用總量

      7 888.5

      11 360.2

      17 790.1

      19 960.47

      21 491.06

      28 000.5

      37 840.6

      其中:進口量

      6 888.5

      8 560.2

      14 290.1

      15 960.5

      16 091.1

      20 000.5

      25 840.6

      國產碳纖維占比

      12.7%

      24.6%

      19.7%

      20.0%

      25.1%

      28.6%

      31.7%

      資料來源:中國化學纖維工業協會整理

       

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      經濟效益顯著,市場需求明顯

      我國碳纖維及其制品的產品性能基本滿足高端應用需求。國產碳纖維的產業化發展打破了日本、美國長期對我國的技術封鎖和市場壟斷,為我國制造業核心競爭力提升注入新動力。國內市場對碳纖維需求快速增長,市場認可度也在持續提高,推動國產碳纖維年產量超過萬噸,打破一直以來“有產能沒產量”的被動局面。

      中復神鷹、威海拓展、江蘇恒神、浙江精功等民營企業憑借靈活的體制機制、豐富的市場競爭經驗、深厚的技術實力,率先實現了千噸級碳纖維的產業化穩定生產和規?;瘧?,打破了國外技術封鎖壟斷。風電葉片成為拉動國內碳纖維應用的主要驅動力,航天航空、壓力容器、新能源等領域用量也有一定增長。隨著下游應用領域不斷拓展,高質量的碳纖維已呈現供不應求態勢。

      上海石化在上海新建碳纖維項目已開工,總投資35億元,建設內容包括2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年48 K大絲束碳纖維,計劃2024年全部建設完成。吉林碳谷啟動二期年產5萬噸碳纖維原絲項目,總投資10億元,擬建成5條大絲束碳纖維原絲生產線,預計2021年底全面投入運行。吉林化纖啟動了年產1.5萬噸碳纖維項目,計劃總投資24.4億元。蘭州藍星、江蘇恒神等重點企業也計劃新建碳纖維項目。

      鑒于國內疫情防控取得明顯成效,經濟活力快速恢復,國內對高性能纖維的需求將逐步增加,生產將持續改善,我國碳纖維行業逆勢而上,產銷兩旺,業績保持持續增長。預計到2025年,國內碳纖維的需求量將達到11萬噸左右。

       

      多方助力實現碳纖維產業發展

      自2005年起,我國碳纖維產業走過了噸級小試線、百噸中試線、千噸產業化線多個階段,正在步入規?;a及應用的新發展階段,取得了矚目成績。

      一方面,國家專項資金支持碳纖維及復合材料產業化生產及應用,已累計支持碳纖維及復合材料產業化項目百余項,支持范圍覆蓋了碳纖維、碳纖維復合材料及制品應用的全產業鏈。這奠定了我國碳纖維產業從無到有、從弱到產業壯大的發展基礎,保障了國產碳纖維在國防軍工、民用領域的自主供應,為我國碳纖維產業發展壯大,提高關鍵材料自主保障能力給予了重要支撐。

      另外,行業組織通過舉行專業活動搭建服務平臺。作為連接政府與企業的橋梁紐帶,一是協助提供信息,行業協會依據其了解的行業發展最新現狀、短板領域、重點企業以及發展趨勢等專業化信息,為政府部門確定政策支持方向、專項支持領域提供支撐;二是專門成立碳纖維行業分會,加強產業政策、專項實施解讀,定期召開專業論壇,搭建我國碳纖維產業產、學、研、用的交流合作平臺,進一步凝聚行業發展共識,促進國產碳纖維關鍵技術突破、上下游合作、應用領域拓展,促進科技成果轉化,提升我國碳纖維產業核心競爭力。

       

      國產碳纖維產業的后續發展

       

      我國碳纖維產業雖然取得明顯進步,但與日本、美國等發達國家相比還存在一定差距。作為高性能纖維,碳纖維的發展要切實提升關鍵核心技術的創新能力,提高技術成熟度,提升纖維質量一致性、批次穩定性、應用工藝性,進一步擴大在航天航空、風力發電、軌道交通、安全防護、海洋工程、高速交通、環境保護等領域應用。

      此外,產能利用率也需進一步提升。目前我國碳纖維理論產能已超過30 000噸,運行產能約26 500噸,實際產量約12 000噸,產能利用率仍不到50%。在關鍵輔料和裝備設施上,用高品質上漿劑、油劑等配套材料品種較少,碳纖維復合材料用樹脂性能有待進一步提高,尚不能完全自主供給,一些關鍵品種仍依賴進口,制約了碳纖維復合材料的性能提高,也存在產業鏈供給風險。符合國產碳纖維特點和使用要求的標準體系尚未形成,使用規范、應用數據庫等尚未建立,制造與應用環節銜接不緊密,碳纖維及其復合材料設計—評價—驗證能力不足。

      因此,要保證碳纖維產業的持續發展還需持續提升產能利用率,加快淘汰落后產能;拓展碳纖維標準化工作的深度、廣度及專業化水平,培養有經驗的碳纖維復合材料設計人員。在設計方案、材料選用、制備工藝、實際應用等方面,要與下游市場緊密連接,提高我國碳纖維在高端領域的規模應用,在生產和應用等方面取得更多的實質性進展,持續提高我國碳纖維龍頭企業的綜合競爭力。

       


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