专题

2017 全球碳纤维复合材料市场报告

日期:2018-08-06 16:44:05来源:《纺织科学研究》编辑:广州赛奥碳纤维技术有限公司 林刚


广州赛奥集团副总裁,广州赛奥碳纤维技术有限公司总经理,复合材料首席(教授级)工程师,中国复合材料学会第七届理事会理事、副秘书长,中国复合材料学会科技咨询工委会副主任委员,中国复合材料学会科技评价工委会副主任委员,中国复合材料学会风电专委会副主任委员,中国复合材料学会空天动力专委会委员,中国科协新材料学会联合体专家委员会委员,全国碳纤维标准化技术委员会委员,《高科技纤维与应用》《纺织科学研究》编委。

1995年毕业于北京航空航天大学。1999年进入碳纤维领域,自主开发了碳化线主要设备,会同国际合作伙伴,为中国碳纤维行业提供“高效低成本”碳化线生产设备与技术。从2010年开展“先进复合材料创新枢纽”的建设,为行业提供复合材料整体技术解决方案及投资项目;长期致力于碳纤维复合材料产业与战略研究,为政府、社会及企业提供咨询服务。



1 前言


2017 年是中国碳纤维值得记忆的一年 , 运行的每家碳纤维厂把当期产品销售一空,清空了库存,丙烯腈价格一直高位运行,厂家也纷纷宣布涨价,一派产销两旺的好年景。从统计数据上也可以看到:进口量与 2016 年持平,国内市场高速增长的贡献来自国内厂家,国产纤维销量对比2016年的3600吨翻了一番还多,达到了历史高峰7400 吨。

2017 年是中国碳纤维具有里程碑意义的一年,不仅是因为市场增长带来的产销两旺,而且也是因为我国碳纤维企业通过艰苦努力,产品越来越被市场认可。各种信息显示:到2020年之前,中国的市场需求是旺盛的,多年难遇的满负荷生产会极大地提升品质的稳定性,有望在2020年实现与进口纤维平分市场的格局,摆脱理论产能远远大于实际销售的尴尬境地。

强劲的市场需求可以解决产业的部分问题,但不少深层次问题,比如技术创新能力、用户技术支持、品质稳定性、企业的高负债、盈利能力、国际竞争优势等依然是存在的。充分借助市场好光景,苦炼内功,方能实现潮涨潮落,屹立潮头。

2017年的世界碳纤维产业有几个事件:一是东丽公司通过整合卓尔泰克的低成本优势与本土的高性能优势,开发了低成本、小丝束碳纤维Z600,有专家分析认为,东丽此举是用低价 Z600 狙击竞争对手,去护卫T700 的传统市场;二是西格里公司推出中模量大丝束的型号,剑指航空航天市场。“小丝束不一定是高成本,大丝束不一定是低性能”,市场的创新行为一次次冲刷了我们的固有观念。

还值得一提的是碳纤维汽车领域发生的新闻:德国宝马公司与西格里,曾经联袂推动了碳纤维在汽车(尤其是新能源汽车 I3)上广泛、深度的应用,这让汽车巨头与钢铁巨头曾经坐立不安,国际各类信息也在大肆宣扬“碳车时代”的到来。在 2017 年,西格里收购与宝马公司合资碳纤维的股份。市场对此股份变化有不同的解读:宝马在收缩供应链,只希望使用碳纤维 , 而非制造;西格里整合核心价值链,更聚焦纤维的生产;宝马难于承受碳纤维复合材料昂贵的成本,要回到金属车身;宝马希望向更广阔的供应商寻求更低成本的碳纤维…… 汽车工业是个高度工业文明的产业,有其固有的、强大的运行规律,只有我们深谙这个产业之时,才能对一些事件产生较为客观的看法。

一位受人尊敬的业界学界老师,曾对我们2016 年的报告提出几点中肯的指导意见:保持独立性,少提企业名称,提升洞察力与高屋建瓴的分析水平,提升文字功底,以权威的行业发展白皮书作为报告的发展目标。作为业界生存的民营小企业,尽管在“个性张扬”与“社会协作”中间存在着抉择,我们也会牢记教诲,砥砺前行。

如同之前的《全球碳纤维复合材料市场报告》,本次报告也会以中英文版本在全球发行,让世界更多地了解中国产业,也希望为中国企业“走出去”和“深度融入国际复合材料产业链”做一些宣传推广工作。该报告采用了一些网络与公司的信息与数据,我们在文中会尽量标注来源与出处,如有遗漏,敬请谅解。我们的工作也得到国内碳纤维复合材料行业的高度关注与支持,大家对我们的数据与结论均作出了非凡的贡献,特别要感谢恒天创投公司白雪垠先生和陈宇航先生多年来不懈的支持;感谢中国复合材料集团张定金董事长等一批业界同仁无私分享行业信息与思想。


2 全球碳纤维市场


2.1 全球碳纤维市场需求- 年份

(见图 1)

2017 年的全球碳纤维需求数据,是根据国际上公认的增长率10% 这个数据计算而来的。通观国际各主要碳纤维厂家与国际市场调研机构的年度数据,我们的数据在居中的水平上略高,其中的主要偏差在于对体育器材需求数据的统计上。由于该产业高度集中在大中华地区,有大量的从业企业,西方统计机构很难真正了解。所以,由于本土优势,我们对该应用市场相对了解,对这些数据有较多的自信。

在2016年的报告中,我们引用了JEC 的“塑料、铝合金、玻纤及碳纤维”这四类典型的轻质结构材料的行业规模对比,并得出结论:碳纤维必然会引来一场低成本技术革命,以扩大整个产业规模。今年,我们不想给读者重复的信息,但依然坚持这个观点,50多岁的“近藤瓦特工艺”(见最后一章的详细解读)可能会在这10年内(甚至更短)落幕,让我们共同期待新一代碳纤维技术的到来,并期盼其有所作为。

2.2 全球碳纤维市场需求-应用(千吨

总量:84,200 吨(见图 2)

我们对 2017 年的数据作了一定的调整,下面作出详细解释:

航空航天(包含军工):今年的数据比去年增加 10%,其中,我们重点关注的是波音 787 及空客 350 的产能的变化,全年内对增长作出重大贡献的是空客 350,后面的航空航天分市场会详细介绍。

风电叶片:风电市场的碳纤维需求,其中供应大户ZOLTEK 的数据并不明朗,而大用户VESTAS 的数据很乐观,所以,我们采取居中的10%的增长率。

车:2016统计为9100吨,该市场的晴雨表是BMW的I3,2017年该车的销售情况不错,超过了3万台,加上7系车的“Carbon Core” 填补了部分需求。我们谨慎乐观地把2017 年需求数据定在9800。

对于混配模型,我们大幅度调低了需求量。依据的数据是:这个行业的短切增强塑料领域增长缓慢,同时CFS MC还未大规模应用。

我们新增了碳碳复材,电子电气及电缆芯分市场的统计与描述。



2.3 全球碳纤维市场需求- 应用(美元)

总量:2,344.2 百万美元(见图 3、图 4)

2.4 全球碳纤维市场需求-产品(千吨)

总量:84,200 吨(见图 5)

2017年,我们增加了对标准模量大小丝束的分别统计。规则如下:

模量的定义:

标准模量是指拉伸模量为230GPa~265GPa;

中等模量是指拉伸模量为270Gpa~315GPa;

高模量是指拉伸模量超过315GPa。

小丝束(或常规丝束)1K~24K(含);大丝束:大于24K 的。

上述的市场份额是根据各应用市场而作出的大致估计,所以只是一个定性的份额。这些定义不是一成不变的,应该与时俱进,比如大丝束向中模的方向前进,就是一个技术可行、对应用有益的方向。主要是主承力结构,不只是飞机的大梁、风电的梁帽、汽车的车身结构,只要成本可行,中模可以带来更多轻量化。




3 全球碳纤维供应


3.1 全球碳纤维理论产能-制造商

(见图 6)

2017 年,全球碳纤维理论产能为147,100 吨:其中根据东丽官网的数据,将ZOLTEK 的产能减少600吨,到14,900吨。根据计划完成产能的有:三菱增产的2200吨,东邦的2400吨。其他国际大厂均无大的新增产能,有些宣布的扩产计划,会在2018年陆续完成(比如ZOLTEK大的扩产计划)。

2017年9月 , 印度Reliance 宣布收购印度Kemrock 的全部资产。 Kemrock 拥有两条生产线,工程线是印度自行制造,而3米大线是进口欧美产品,建成后,基本就没有生产出合格的碳纤维。希望在Reliance强大能力的支持下,能顺利运行。

中国区总的理论产能为26,000 吨,中复神鹰增加了一条千吨线;吉林精功在2017年建成了1500吨碳纤维生产线;吉林化纤集团的在不断增加原丝的产能,销售情况也非常好。2017年的数据,对僵尸碳纤维企业(已经长期不开机且技术装备落后)的产能不再统计。

3.2 全球碳纤维理论产能-区域

总量:139,000吨(见图7)

世界碳纤维版图在2017年没有本质的变化,之前的世界格局是:欧美企业主打大丝束与新兴市场,而日本企业主打小丝束与传统市场,2017年的世界格局是大小丝束+新老市场的混业经营。东丽旗下的匈牙利和墨西哥基地有望超过中国台湾、韩国,成为国际重要碳纤维产地。

日本:三家企业均加紧在风电、汽车为代表的新兴市场国际并购与积累资源,尤其是东丽完成了对ZOLTEK的有效整合后,利用低成本碳纤维与其在超豪华车的市场基础,逐步向数量更大的豪华车市场挺进。这个竞争优势日益明显,相信东邦与三菱丽阳会快速跟进。

美国:应用及制造成本优势,还是会吸引更多的碳纤维企业投资建厂。这些年,美国HEXCEL与CYTEC( 苏威集团 ) 的扩张态势不明显。两家企业均想在汽车与风电行业分杯羹,但纤维的劣势一定会严重阻碍这个战略意图。尽管CYTEC之前收购了德国 DOLAN(欧洲碳纤维公司),但能否利用好这个欧洲已经放弃的腈纶企业,做出性价比高的原丝,是个不小的挑战。

欧洲SGL在2017年通过几轮回购与售出股权,把资本与精力聚焦在碳纤维及中间制品上。原丝是SGL心中的痛,之前收购德 国腈纶企业DOLAN,后又放弃,与三菱丽阳的原丝合作,成本又难于承受,于是又收购了葡萄牙的腈纶厂FISIPE,投资新建了原丝生产线。FISIPE 不一定是终点,SGL 在整合战略资源方面,还有艰苦的路要走。




4 中国碳纤维市场


4.1 中国碳纤维需求-年份

(见图8)

2017年,对中国市场的需求统计,我们开始加入了国产纤维的贡献。之前,国产纤维在满足市场需求方面,份额与贡献很少,但在2017年实现了一个巨大的增量。如果按此势头前行,我们预计:到2020年,国产碳纤维有望与进口量平分秋色。读者要特别留意这个预测的前提:按2017年的增长势头,这里有两个重大信息,一是市场需求的势头,二是国产碳纤维的市场表现。乐观的信息是存在的,但行业长期存在的问题并无重大改变。所以,对上面的预测,可更多理解为对碳纤维行业的良好祝愿。 2017年,国产碳纤维比2016新增了3800 吨的销量,这个3800的新增需求来自哪儿呢?自2014年以来,国内碳纤维需求按照 13%~20% 的速度增长,增长的数据逐年攀升:2015年比2014 年增长13.4%,2016年比2015年增长16.5%,2017年比 2016年增长20%。从目前的市场情况看,2018年比2017年至少增长20%以上。按照2017年20%的增长,传统市场就会出现大约3800吨的自然增长。

我们对中国市场需求数据的客观性非常自信,这里面有详实的海关数据的支持,也有对国内供应厂家需求大户的反复校核。从2014年开始,中国市场的增长率不断提升。国际需求10%以上已经是一个非常乐观的高增长了,从2015年的13.4%,2016年的16.5% 到2017年的20% 不难看出,2018 年的数据也会非常亮丽。好风凭借力,送我上青云,祝愿中国碳纤维产业能茁壮成长。

4.2 中国碳纤维需求-应用

总量:23,487吨(见图9)

体育器材依然占据半壁江山,这不仅是碳纤维的传统市场,更是中国碳纤维产业发展的市场根基。这个市场,我们会在后面的单项介绍中重点介绍。

风电叶片用碳纤维与2016年基本持平,VESTAS的需求强劲,势头越来越猛,供应格局有重大变化。而另一条技术路线,单向织物灌注工艺,2017 年也有很大的发展,德国织物厂家萨泰克斯全年进口了 113 吨,为国内风电叶片企业提供高渗透单向织物。

今年的航空航天有较大的调整,之前,我们仅根据国内碳纤维厂家对航空航天的供应量、HEXCEL对中国预浸料的出口来估算用量。近几年,氰特(上海)每年都有200吨左右的预浸料,同时又考虑到通用航空的需求及无人机对碳纤维的需求,总量从 2016年的400吨调整到2017年的900吨。

对于汽车行业的需求,2016年的300吨,我们是估算了众多的汽车厂家(包括新能源汽车)的总体大致用量, 2017 年,我们增加了汽车改装件行业,以及为豪华车制造汽车零件的厂家,所以,把数据调到600 吨。

4.3 中国碳纤维需求省份

总量:19,563 吨( 见图10、图11)

复合产业依然集中在6个省份中,全是需求上千吨的省份,北京由于恒天进口土耳其纤维的数据拉高了排名,本身产业并不大。山东由于威海的拉动,进入5000吨俱乐部。2018 年,威海与吴江增产势头凶猛。

总金额:568,179 千美元( 见图12、图13)从消费金额来看,广东依然保持第一,山东尽管碳纤维消耗量远大于上海,但主要是低成本风电纤维,所以,金额还是没有进入广东与上海的亿美元俱乐部。

4.4 中国碳纤维需求-来源

总量:23,487吨(见图14)

仅从国别来看,国产碳纤维历史上首次成为国内需求最大的供应商,这是中国国产碳纤维的巨大进步。但从实际的情况看,韩国对中国的出口,主要是东丽(韩国)公司的产品,属于日系产品,墨西哥、匈牙利及美国的一部分,因东丽收购了ZOLTEK,也属于日系产品,所以总体来说,日系依然有9085吨的销售量,依然是中国市场最大的供应商。

中国台湾的销量有较大幅度的增加,从2016年的3094吨到2017年的4203吨;ZOLTEK 体系( 墨西哥、匈牙利、美国)均有大幅度的下滑:对比2016年,美国减少了624吨,匈牙利减少了863吨,墨西哥减少了50吨,合计1537吨。这是VESTAS体系对供应商的重大调整:从去年以盐城TPI 公司及VESTAS 天津体系,调整到光威复材与江苏澳盛,碳纤维从ZOLTEK 供应调整到主要由台塑(部分国产)的供应上。对于这个调整,我们还不了解其中的详细原因,不知道到底是VESTAS方面,还是ZOLTEK方面。

土耳其的进口量去年有一定幅度的下滑,减少了288 吨,主要原因是2016年其在国内的经销商有一定的库存,所以2017年在中国的实际销售是增长的,达到1100吨。

另外值得关注是俄罗斯UMATEX公司,去年向中国出口263吨纤维,纵观全球市场,民用方面会应用碳纤维的国家并不多,中国无疑是个包容性很强的大市场。(见图15)

日本与韩国主打的是碳纤维小丝束的传统市场。这也是目前我国绝大部分碳纤维企业耐以生存的主市场。之所以包含韩国,主要是考虑东丽在韩国的4700吨的碳纤维产能与相关后续工艺。可以看出一个趋势,总体上,日系碳纤维在华的销售是稳步上升的,尽管这些年有中国台湾、土耳其及中国厂家的激烈的竞争与市场蚕食。其中,东丽韩国的出货量在稳定增长。

总金额:568,179 千美元(见图16、图17)

中国碳纤维及中间材料的市场规模已经达到5.68亿美元,这些年是持续高速增长的。中国国产的吨数尽管超越日本,但金额上有较大的差距。我们依然按照18美元(大约115元/公斤)来核算国产碳纤维的价格,其中既考虑了高价量小的军品纤维,也考虑了B、C等品的低价位。

2017年,我们将各主要供应国及地区纤维3年的价格做了一个对比。国产纤维的价格是增长的,日本是波动的,中国台湾是递减的,而俄罗斯的售价是最低的。

值得关注的是,2017年,只有日本与美国来源的纤维价格高于国产纤维,其他国家与地区的价格均低于国产纤维。希望大家清醒地认识到:这并非质优而贵,政府的保护政策不可能是永远的。







5 中国碳纤维产业

5.1 中国碳纤维企业理论产能

(见图18)

2017年,我们不统计僵尸企业(超过一年不运行,且装置不稳定)。统计全国的理论产能为 26,000 吨。

A.产能千吨以上:7家公司。中复神鹰扩产千吨线一条,吉林精功(精功集团与吉林化纤的合资企业)扩产1500吨线一条,太钢钢科扩产千吨线一条;

B. 产能在500吨~1000吨之间:4家公司;

C. 产能在100吨~500吨之间:7家公司;

D. 产能在100吨以下:2家公司。

在26,000吨中,销量大约是7400吨,销量/产能比为28.5%,国际的销量/产能比为57.2%,去除中国因素,其他国家的销量/产能比为63.4%。所以,对于国产碳纤维企业,提升销量/产能比,是个重要的任务。

2017年,产业集中度在加速,7家千吨级碳纤维企业的理论产能已经占到全国的84.8%,我们相信,这个产业集中度在今后几年还会加速。

5.2 中国碳纤维项目运行效益分析

我们从项目建设与财务的角度,来观察碳纤维厂的经济效益产生的要素。

碳化线经济效益估算与决定因素见表1、表2、表3、表4、表5,其中,系统工程技术+工艺优化技术+品质稳定技术+量身定制技术=短建设周期=碳化线效益。通过上表的分析,我们可以得出如下的结论:

I.碳纤维企业要经历五个主要阶段:阶段A-建设期,阶段B-试生产,阶段C- 稳定期,阶段D- 达标期,阶段E- 满意期。达标期与满意期是有细微差异的,在纤维价格上也有差异。

II.碳纤维确实是个“烧钱”的行业,任何厂家都有建设期与试生产期,但厂家之间有周期差异,主要体现在建设者的系统工程技术能力,这包括整线工艺布置的合理性,设备的稳定性,工艺或设备整改会耗费大量时间,尤其是工艺与设备的适配性问题。稳定期与达标期是真正烧钱的周期,几乎所有的生产成本投入了,但产出的是B、C等品,甚至是等外品,在市场上基本卖不起价格,甚至卖不出。这是我们绝大部分碳纤维企业均经历过的“痛苦期”。这个痛苦来自:缺乏工艺优化技术及品质稳定技术,这其中包含原丝的品质稳定性与工艺优化的空间,但是更多是碳化技术的水平。这个过程(包含建设期+试产期),只要有81个月,即6.75 年,生产线的投入资本基本就烧完了。

III. 从A-建设期开始到D-产品达标,周期长短是检验碳纤维投资项目成败的重要标准。目前国际水平基本是12~14个月,这个产品达标:不仅包含生产线 A 等品的比例(应该是 90% 以上),还包含产品的预计成本达标(这其中资本投入、能耗消耗、原丝得率、人工消耗均要达标)。这个“达标周期”,可以成为一个单位工程能力与效益的评价指标。对于工业企业,我们企业家与媒体:用从关注试生产期间的个别纤维指标超过XX公司,转移到关注“达标周期”有多长,只有生存,这些技术能力才有持续的机会。

IV. 对于计划投资碳纤维产业的投资者:在当今的发展阶段,如果现在还根据上述的“烧钱周期”来规划项目,一定会成为行业众多失败案例中一员。当然,任何一个行业,只要技术没有达到天花板,均存在:利用技术重大创新机遇,“站高一步,自然赶上前人”的商机。这些洞察与研究,不可能是投资部门几个人研究一些网络资料就能决策的。复杂技术产业的决策难度远远高于简单制造业,其在建设之前就很可能注定要失败,项目执行过程中的调整与挪腾空间受限,所以在项目投入之前,花足钱与做足行业“精算”,而不是盲目上马后去烧钱。

5.3 中国碳纤维产业新发展

首先值得祝贺的是吉林化纤集团(吉林碳谷)的原丝战略的实施与成效,2017年实现销售超过5000吨,2018年有望有更大增长。国际碳纤维曾经的运行规则是:对原丝技术严加保密,基本不对外销售,目前也只有三菱丽阳与德国西格里做原丝战略合作。吉林化纤改写了这个规则,把原丝商品化向世界供应,这会对世界产业格局产生影响。

作为原丝领域另一家重量级企业,中石化上海公司是国内少有的,拥有自主腈纶技术、装备完全国产化的企业,具备在现有的腈纶装置上(局部改动)生产原丝的技术能力,且小批量生产的48K原丝碳化后,取得了较高的性能。

我们热切的希望:上述两家世界级腈纶企业,制造出大规模、低成本、差异化、工业用原丝商品。为世界的碳化客户服务,为扩大产业全球规模做出贡献;同时,更要肩负振兴民族碳纤维产业的责任与使命,用更优的品质与成本去全力支持中国的碳化企业的发展,让碳化厂去除后顾之忧,全副精力搞好碳化技术与工程。

中复神鹰走的是市场自由竞争下,高性能、特色小丝束之路,装备的国产化程度高,与同类企业对比,有成本优势。

江苏恒神与康得新集团(包含中安信、康得复材,康得碳谷)均走的是深入应用的全产业链建设思路。恒神去年在轨道交通的研发上取得重大进展;康得复材在汽车应用取得实质性进展,康得碳谷与康得复材均有宏伟的建设目标,正在热火朝天的建设过程中。

光威复材、中简科技、太钢钢科均是以航空航天为核心效益资产,并努力向工业领域进发。光威复材既是纤维企业,也是中国最大的碳纤维应用单位,强劲的自身应用需求,有助于提升其工业级碳纤维的制备水平。浙江精功集团是以碳化及复材为特色的新锐企业,去年的产能到3500吨,销售喜人。2018年底,将会新增3000吨产能。旗下精功科技在成套碳化线装备方面与欧洲合作,在装备国产化方面,做了很多卓有成效的工作,并体现在生产线的开机率上。宁波材料所一直耕耘在高模碳纤维的研发上,随着制备技术的提升,模量不断攀升,现已经基本达到M60J的水平,对比M60J性能,宁波所的纤维强度更高,是“高模高韧”型新品种。





6 全球碳纤维复合材料市场


6.1 全球树脂基碳纤维复合材料需求-年份

(见图19)

树脂基碳纤维复合材料的需求量,根据纤维在复材中65%的比例计算的,建立一个规模概念。

6.2 全球树脂基碳纤维复合材料需求-应用(千吨)

总量:129.5千吨(见图20)

6.3 全球树脂基碳纤维复合材料需求-应用 (10亿美元)

总金额:126.5亿美元(见图21)

2017 年,树脂基复合材料的主要收入,依然是航空航天,其中,波音、空客与美国的军用航空航天占据绝大部分市场。这是个典型的高投入、高技术、高门槛、长周期、高收益的细分市场。一方面,我们期盼中国的航空、航天、兵工、核工、海工能为中国的先进复合材料形成一个较大的市场,另一方面,我们也应清醒地认识到,这些是科技强国长期积累与协作的成就,非一时之功,在投资决策上不能受太多的诱惑。

风电行业,尽管碳纤维的用量已经超过航空航天市场,但是,复材的收入却比航空航天低很多,甚至低于体育产业的收入。这是完全可以理解的,纤维采用低成本大丝束,成型采用最经济的拉挤工艺与单向织物层灌注工艺。拉挤工艺中,拉挤板材每公斤的成本几乎与每公斤的碳纤维成本相当,轴向把纤维的力学性能发挥到极致,这是其他工业应用需认真借鉴的。

对比风电,汽车复材不仅有低成本要求,还需要高节拍、自动化的制造工艺,经济的维护要求等,其应用难度可想而知。

6.4 全球树脂基碳纤维复合材料需求-区域 (10亿美元)

总金额:126.5亿美元(见图22)从上面的应用市场分析,我们就可以发现,由于有波音及军用航空航天,美国成为最大的复材市场,而欧洲有空客、汽车、风电产业,尽管收入金额上小于美国,但碳纤维用量已经大于美国。

日本尽管在碳纤维领域执世界之牛耳,然而在复合材料及应用方面,与欧美相比,日本的劣势还是比较明显的。如果没有三菱重工、川崎重工等企业承接波音公司复合材料大部件的生产,其复材本土市场会更小。因此,日资碳纤维巨头都加大了在欧美的生产布局,并购中间制品与复合材料国际专业公司。亚太地区,主要是中国大陆、中国台湾与韩国。这个区域最基础的应用是体育器材,同时有望在风电、汽车等工业应用上获得突破。

6.5 全球树脂基碳纤维复合材料需求-制造工艺

总量:129.5千吨(见图23)

树脂基复合材料成型工艺,每年均有大量的创新工艺产生,如树脂配方、纤维形态、预成型方式、层合方法、固化方式等均可以做出创新。复材成型工艺概括而论就是将一维纤维固结成三维形状的过程。复合材料工艺是个跨界借鉴的创新行为,广泛借鉴了纺织、金属成型、建材、塑料加工等传统行业的工艺思想,其难点在于成熟性和性价比。

航空航天、体育器材,超豪华汽车等领域,目前的主流工艺依然是预浸铺放+热压罐工艺。每年有50%以上的碳纤维是通过这条工艺制备成复材的。这是个“昂贵”的工艺路线,所以在体育器材的制备上把热压罐变成了模压。但是,这条工艺的“均匀浸润”与“低孔隙率”,是结构性能最牢靠的保障。

拉挤工艺,由于VESTAS梁帽的成型技术而被广泛应用起来,拉挤工艺与单向预浸料类似,可以实现纤维单方向最大性能的释放。将多块单向板材合并粘接成曲面的梁帽,再通过上下梁帽与腹板组成刚性梁,这确实是一个高性价比的、可以发扬光大的技术。

在汽车领域,目前流行的各类工艺,如混配模成型、高压 RTM 及其变形工艺、湿法层合工艺等,还没有一种工艺能满足汽车行业所需的成熟性与性价比。当然,汽车行业对不同能源驱动下的、不同零部件的轻量化价值也需作出客观评估。当前,通过对金属件减重而换算复材零件的成本,是万万不可能用上碳纤复材的。

6.6 全球碳纤维复合材料需求-不同基体(10亿美元)

总额:171.5 亿美元(见图24)

鉴于2017年全球各类基体的碳纤维复合材料并无重大变化,所以,我们依然按照2016年的各类基体的份额去估算其他复材的数量。其中,我们将已经进入树脂基复材统计的碳碳复材的数量单独拿出来。对于陶瓷基、金属基等基体,由于国内相关的产业太少,我们没有明确的概念,只能参考德国CCEV 的数据。

关于树脂基复材中热塑性与热固性材料的分配比例,在东丽收购荷兰TenCate之后,我们再一次反省我们之前对热塑性复合材料的判断是否客观。从东丽官网的信息得知:去年国际商用航空器采用了5000万欧元的热塑复材。按我们上面的数据,去年航空航天的树脂基复材市场是88.6亿美元。东丽官网指出,除了商用航空,使用热塑复材的还有笔记本外壳、运动鞋底、医疗器械和2020年之后的汽车。再加上短切碳纤维增强塑料及热塑连续碳纤维预浸料,我们将热固与热塑的比率调整为 75%:25%。







7 复合材料应用发展趋势与展望


7.1航空航天应用市场

市场的发展趋势见图25,2017年对碳纤维的需求量为19,200吨。航空航天市场的分市场份额(吨)见图26。

商用飞机对碳纤维需求驱动是巨大的。2017 年,根据波音及空客的官网信息,波音的复材飞机B787交付136 架,与2016年持平,而空客的复材飞机A350XWB交付了78架,比2016年增加60%。所以,商用飞机碳纤维的用量增加主要来自空客。

图27是从东丽网站摘录的商用飞机的发展计划,主要体现了几个信息:国际商用飞机的发展趋势是越来越聚集中小型飞机;波音与空客在2017年9月前分别手握4633架(B787-1471架)和4325 架(A350XWB-1056 架)订单。

7.2 体育休闲应用市场

体育休闲市场十年来的需求发展情况见图28,2017年的需求量为13,200吨。体育市场的分市场份额见图29。


碳纤维与体育强国


1971年,日本东丽开始了工业化碳纤维生产(产能1吨/月);1972年,日本公司Olympic在展览会上,展示了用东丽碳纤维制造的鱼竿“Seiki”;同一年的太平洋高尔夫大师赛,Gay Brewers 使用碳纤维球杆赢得冠军,这激发了市场购买与使用“高尔夫黑杆身 (black shaft golf clubs)”的热情。世界碳纤维的发展初期,就与体育器材接下了不解之缘。

谈及碳纤维体育器材产业,就不得不提中国台湾清华大学吴泉源先生的文章—《奠定复材制造王国的领航—中国台湾网球拍产业发展回顾》,文中提到“1978 年由光男公司从国外引进碳纤维复合材料,开始制造碳拍之后,短短的几年间,不但淘汰了木制球拍,改变了世界网球拍的产销结构,成为网球拍王国,而且奠定了中国台湾在全球复合材料加工技术上重要的地位。”在文章的最后,吴先生充满激情的表达了“这是一个世界级的技术史故事。中国台湾网球拍产业奋斗的历史轨迹,至今依旧是许许多多产业努力奋进的标杆。”从网球拍开始,中国台湾持续努力,在高尔夫球杆、钓鱼杆、曲棍球杆、自行车等各个碳纤维领域,均取得了举世瞩目的佳绩,通过在大陆的投资设厂,将大陆的碳纤维体育器材带动起来,这个渊源我们不应该忘记。碳纤维体育器材,全球绝大部分制造在大中华地区,欧美日本品牌商主要是品牌运营,参与技术研发的投入不多,我们企业的利润空间有限,技术创新能力也有限,导致目前的主流工艺大量依靠人工,缺乏自动化,因此制造成本也较高,这些因素共同导致了产品价格高昂,不能普及到寻常百姓家。体育器材有着与工业产品迥异的“轻量化价值”,汽车工程师可以在汽车零件上算计每一分钱,而个人购买体育器材时,则会因为1克重量和手感,毫不犹豫多支付几百元。

先进体育器材与科学训练方法正成为提高运动成绩的有力支撑。在提升运动成绩的同时,先进体育器材可获得美誉度,利于器材在大众体育中的推广,形成品牌效应,从而形成高利润产业,并反哺竞技运动获得更好的成绩,为退役后的运动员提供更多的职业选择。体育器材是将碳纤维材料的优势发挥得淋漓尽致的领域:陆海空、冰水雪,处处可见碳纤维材料替代天然材料和金属材料而产生的“更快、更高、高强”的竞技传奇,也衍生出一轮轮波澜壮阔的工业技术创新辉煌。中华民族(含中国台湾)是全球碳纤维体育器材制造大国,由于器材工业设计技术及品牌运营经验的欠缺,我们守着一个全球最大潜力的市场,却不得不面对“洋品牌漫天飞,制造工厂血汗化”的残酷现实。“增强技术制造能力、集成国际设计经验、国家助力品牌运营、竞技产业共同进步”,这就是时代与民族需要的先进碳纤维体育器材强国计划。

7.3 风电叶片应用市场

2017年,低风速风场和海上风电共同推进了叶片的大型化发展,碳纤维在风电领域持续高速增长。VESTAS在与台塑签订碳纤维长期供应合同之后,2017年6月,VESTAS与土耳其签订了为期四年、价值3亿美元的梁帽拉挤板。2017年年底到今年年初,ZOLTEK 相继宣布在墨西哥与匈牙利扩产,将目前的14,900 吨产能提升到25,000 吨。

2016年与2017年,中国风电碳纤维复合材料供应还出现一个剧烈的变化:2016年,TPI(为VESTAS 制造叶片)及VESTAS 相关企业共进口了2465吨碳纤维,而今年,该集团只进口了240吨纤维,而市场的总量不变,这些差额主要由光威复材与江苏澳盛承担了。我们认为,这主要是VESTAS的工艺转变带来的供商剧变,坚定了拉挤片材制备梁帽的工艺路线。

国际主要采用碳纤维制造风电叶片的企业是:VESTAS、GEMESASIEMENS、Nordex、Senvion、GE集团(去年并购了LM)。重要的碳纤维叶片制造商还有TPI( 主要为VESTAS 与Senvion提供叶片 ) 和巴西的Tecsis(主要为GE 提供叶片)。去年,TPI宣布:利用SENVION的RodPack(拉挤棒)技术为其生产叶片。

我国主要的叶片制造商:洛阳双瑞科技、中材科技、重通叶片、明阳风电、中复连众、时代新材等均在积极推进碳纤维应用。去年6月,双瑞5MW,83.6米的中国最长海上风电叶片下线,这款叶片采用的是碳纤维织物灌注工艺的梁帽。

7.4 汽车应用市场

(见图31)

提到汽车复材市场,不得不先谈到宝马公司I3电动车:根据宝马公司年报,I3去年销售了31,482辆,同比增长23.3%;宝马公司人员多次抱怨碳纤维复合材料成本太高,有传言要回到铝合金车身;SGL回购了与宝马汽车合资的汽车用碳纤维厂的股份。并且去年行业内对宝马Carbon Core 7系车采用的“混合材料”的想法没有前年那么热闹了。

去年,除了电动车、燃料汽车开始持续升温,各大汽车厂加大了投入,燃料电池堆主流采用的是碳纤维纸,东丽开始扩建碳纤维纸的工厂,产能将是目前的5倍之多。同时,尽管各类储氢有创新,目前看来,采用高压碳纤维气瓶还是最佳的选择,35&70MPa氢气瓶已成为市场的热点。

以东丽为首的日系碳纤维厂家,在积极推动汽车复材的应用。尤其在收购了ZOLTEK 的低成本碳纤维后,东丽从之前的研发,快速转到实业布局上。近几年,收购了不少汽车复材相关的国际公司。

关于汽车复材市场,我们有如下的看法:

A. 对于不得不用碳纤维的,如燃料电池的扩散层碳纸、氢气瓶,这是重点。

B.要遵循汽车行业采用碳纤维的规律:从F1赛车到超级豪华限量版车,再到豪车,直接从普通家用汽车入手,无论是否新能源,高成本的问题不是一时半会能解决的。

C. 汽车厂家要做产品全周期“轻量化价值”评估,价值不超过当前昂贵的碳纤复材,不要浪费科研资源。

7.5 压力容器应用市场

(见图32)

压力容器方面主要是如下三个方面,其中B、C是主要驱动碳纤维需求增长的市场:

A. 传统市场,主要是呼吸气瓶、CNG 气瓶,市场小幅度平稳发展。

B.CNG复合拖车长管:在Hexagon Lincoln的推动下,其最新款TITANXL(40尺柜,15000标准立方米)2015年在拉美试运行,2016年7月获得美国交通部上路许可。国内主要是中材科技(成都)有限公司在推动该产品,并取得很大成效。

C.氢气瓶市场:氢燃料电池汽车用气瓶主要使用三型瓶(金属内胆复合材料全缠绕气瓶)和四型瓶(塑料内胆复合材料全缠绕气瓶)。其中,三型瓶一般用于公交、巴士及物流车等领域,工作压力35MPa,四型瓶一般用于乘用车,工作压力70MPa。发达国家的主要气瓶厂家Hexagon、Dynetek、丰田等公司的高压复合气瓶技术能力和市场份额遥遥领先,Dynetek 公司的三型瓶占据了目前国际市场的较大份额,而Hexagon是目前四型气瓶方面的行业领导者,丰田公司自行研发的70MPa四型气瓶已经批量应用于其Mirai 商业化燃料电池车型。

国内研发和制造氢燃料三型瓶的企业主要有:中材科技(成都)有限公司、北京天海工业有限公司、沈阳斯林达安科新技术有限公司、北京科泰克科技有限责任公司、张家港富瑞特种装备有限公司、中集集团等。而四型瓶,仅仅处于研发阶段。

压力容器是展现碳纤维拉伸性能及离散型的最佳应用,根据气瓶爆破压强计算的纤维拉伸强度的释放比例,是一种重要的工艺指标。精确设计、精确网格成型工艺、自动化制造是重要的发展方向。

7.6 混配模成型应用市场

(见图33)

混配模成型(Molding& compound)严格讲,不是一个应用市场,而是对工艺的描述,但由于这些工艺横跨的应用多,所以,将其归类成一个应用,便于说明。混配(compound)是指非连续碳纤维增强塑料,主要包括短切增强和LFT。玻纤D-LFT在汽车领域的广泛应用证明了这种复合材料形态的优势。但是,只是成为非承力结构件,汽车行业很难为昂贵的碳纤维买单。这就需要CF-LFT,不仅在力学性能(尤其模量)上有更好的表现,具有更好的性价比;缩短工艺,采用CF-DLFT也是必要的低成本路线。关键技术是:浆料、分散性与存留长度。当然,除了利用碳纤维的力学性能,该领域也充分利用了碳纤维去静电、电磁屏蔽的功能性能。

模成型(Molding)主要是指片状模塑料Sheet Molding Compound-SMC,团状模塑料Bulk Molding CompoundBMC。这也是对汽车有前途的低成本工艺路线。目前的问题与上述的短切增强及 LFT 是类似的。对比玻纤同类产品,缺乏性价比。但面临的技术问题是不一样的:这类产品主要要解决完全浸润性、丝束的均匀纤化性。

混配通常是热塑性复合材料,热塑性材料的关键是螺杆挤出机技术的创新,以保证纤维均匀分散的同时保留更长的纤维长度,这是个矛盾体;而模成型主要是热固性树脂,在追求纤维的充分浸润性时,又不能有预浸料的成本,材料的均质性还需提升,纤维含量还需维持在高比例,这也是不小的技术挑战。

7.7 建筑应用市场

(见图34)

建筑领域是碳纤复材可以发挥重大作用的领域,主要应用是对老危建筑的补强,该市场目前主要采用碳布手糊、现场粘接的工艺,与建筑物的粘接性是工程质量的关键。

利用碳纤维复合材料抗震防震,是欧美、日本的研究重点,国外经验证明:利用碳纤维复合材料加固后的房屋具有良好的抗震防震效果。我国的建筑质量与西方有一定差距,尤其是震区的危房加固,相关的国家政策与加固研发还有大量的工作可做。

除了普通建筑的补强,桥梁、隧道、各类工业管道的补强,碳纤维复合材料均有很大的应用潜力。随着国产碳纤维及复合材料的发展,这些领域也大有可为。

桥梁拉索的复合材料化,是日本研发的重点,我国也曾经做过一些研究。这其中有一定的技术问题,比如横切风对碳纤维径向的剪切、与金属连接问题等,但总体上推进乏力。

上述的领域,中国均有其他发达国家不可比拟的市场优势,国际最顶级的设计师基本都在中国设计机场、标杆建筑与桥梁;因质量不合格,需要补强的建筑物,恐怕中国也是世界之最;这么好的应用市场怎么驱动不出好技术呢?没有发达国家的技术指引,我们似乎就迷路了;习惯了模仿,我们失去了思考能力。

7.8 碳碳复材应用市场

碳碳复材的主要市场及情况见图35。

飞机刹车盘市场:2009年美国Honeywell公司已开始将波音737系列飞机从粉末冶金刹车盘改装成碳刹车盘,意味着在若干年后,波音与空客所生产的飞机将全部装备碳刹车盘,国际上飞机碳刹车盘生产企业主要有法国的Messier-Bugatti 公司,美国的 Honeywell 公司、B.F. Goodrich公司、Goodyer 公司和英国的Dunlop 公司。中国的飞机刹车盘主要有中航飞机股份有限公司西安制动分公司、博云新材、西安超码等厂商。每架商用飞机大约需要234公斤碳纤维。(source:江苏天鸟高新技术有限公司)

航天部件:碳碳复合材料以其优异的性能成为大型固体火箭喉衬、发动机的喷管、扩散段、端头帽等的首选材料。

热场部件:以直拉单晶炉和多晶铸锭炉等太阳能硅片生产设备为代表的高温热工装备中均需要碳碳热场材料,大直径工业炉用的碳碳复合热场材料多由国外厂家提供,主要厂家包括德国的SGL公司、日本的东海碳素公司等。国内从事碳碳复合热场材料的单位包括西安超码、航天睿特、博云新材、中南大学、南方搏云等。

预制体是碳碳复材重要的制造环节,主要有预氧化纤维制作的预制件、非连续碳丝准三维针刺预制件、细编穿刺与正交三向等结构的织物预制体等。中材科技南京玻璃纤维研究院、江苏天鸟高新技术有限公司、天津工业大学复合材料研究所、江苏飞舟高新科技材料有限公司是杰出代表。

7.9 电子电气应用市场

(见图36)

电子电气市场对碳纤维的主要消费是3C领域,其中轻薄型笔记本,如联想X1显示器外壳、惠普SPECTRE的底板等,均是碳纤维复合材料制成的。

轻薄型笔记本每年大约有5000万台~6000万台的销量,目前主要采用的材料是铝合金和镁铝合金,碳纤维复合材料只占据较小的市场份额,大约有600万片~700万片。

该领域一直有热塑与热固之争,联想采用了热固预浸料织物,而惠普采用了热塑预浸织物。

流行的工艺均为:预浸料层合与模压支撑主板材,然后进入注塑机,注塑上其他的精细部分,比如螺钉孔等,喷涂形成零件。

高速永磁电机转子的护套,通常是碳纤维缠绕而成,这需要精密的大张力缠绕与固化后的维持张力。

上述领域,主要利用碳纤维的结构性能,而利用碳纤维的功能性方面,主要有利用碳纤维的电磁屏蔽与去静电功能,有大量的办公电子、电气元件采用碳纤维增强塑料;利用碳纤维特殊的刚性,碳纤维复合材料也越来越广泛应用在扩声器的振膜材料上。

7.10船舶应用市场

(见图37)

目前,船舶领域对碳纤维的需求主要是:竞赛类船舶、超豪华游艇、高速客船及军事用途的船舶。

很多小型船舶在上世纪七十年代,就开始复材化,成为了玻璃纤维复合材料的重要市场。在低成本的玻纤复合材料市场中去分一杯羹,对碳纤维复合材料来说甚是艰难。只能另辟蹊径,去找到玻璃纤维复合材料不可为的应用机会。

2017年,最重大的信息是:9月份,中国—挪威碳纤维建造项目落户广州南沙成功举行签约仪式,签约由航运集团旗下珠江船务和新船重工与挪威知名的BRAA船厂完成,共同在南沙合资成立中威复合材料有限公司,利用南沙小虎岛造船基地,引进以碳纤维复合新材料制造为代表的先进技术,合作建造新型碳纤维高速客船,10月份,两艘来自挪威的碳纤维高速客船船体顺利从海上吊装并运输至广东新船重工装饰一新的船体车间,开启新船重工碳纤维船舶制造的新征程,见图38。

7.11 电缆芯应用市场

(见图39)

2017年,我们统计的全球需求是900吨,确定这个数据的考虑是:

国际生产商主要是美国CTC公司及其国际的授权生产的合作伙伴。该公司从2001年开始研发,2005年开始推广ACCC的商业化应用。目前该公司在全球有四个主要的战略合作伙伴:北美的General Cable ,中东巴林的Midal,欧洲比利时的Lamifil 以及中国的远东电缆。(source:CTC官网)

日本的企业尽管是世界上最早研发复合材料电缆芯的,但本土电网系统已经非常完善,极少新建电网,缺乏市场对产业的支撑。除了CTC体系在华厂家,中国主要的研究力量是中国电力科学研究院、中复碳芯电缆科技有限公司、华北电力科学研究院与河北硅谷的合作、辽宁省电力公司与哈玻院的合作。

CTC曾经对该电缆芯在碳纤维上的应用有过非常乐观的估计,但从这些年的商业化情况看,似乎并未出现其预期中的乐观。反而,中国市场(约400吨碳纤维用量)成了国际需求的半壁江山。








8 观察、思考与建议


回想2016年的报告,我们对整个产业的看法是黯淡的,寄希望于国家“重点新材料研发与应用”的重大专项上,也大篇幅介绍了以马凯副总理领导的国家新材料产业发展领导小组的指导思想,去年的风格是明显的“产业政策”派。然后2017年市场发生的一些事件,无论是国际碳纤维公司推出的新产品、德国西格里回购宝马公司在汽车碳纤维合资公司的股份,还是国内市场的出奇的火爆,让我们隐隐地感受到强大的市场力量。

8.1产业政策VS市场力量

去年,我们参与了一些产业政策的前期调研工作,寄予厚望的两大碳纤维主力应用市场—汽车与风电,进入了扑朔迷离、难以判断的状态。在汽车领域,我们是“跟随型”的思维模式,国际汽车巨头只要进入,至于为什么要用碳纤维,国际巨头肯定做了详细的分析与肯定的结论,紧跟即可,当国际巨头传出对碳纤维应用不利的声音后,我们陷入了迷茫。在风电领域,我们是“探究真理型”思维模式,不管世界应用现状,先研究叶片轻量化价值,从性价比上,搞清楚风电产业不得不用碳纤维的理由。然而,国内风电行业没有一家有批量使用碳纤维的工程经验,不能给出叶片轻量化价值的系统经验数据。

两条思维路径均难于找到明确的答案,但也折射出一个事实:任何人及任何组织的认知能力是有限的,在制定产业政策时,要给市场力量留下充分的余地与发挥空间。

既然市场是不可控的,市场行为是不受产业政策指挥的,我们是否还需要制定产业政策?回到中国碳纤维产业的现状:“小、散、乱”确实是事实,尽管与传统产业的状况有所区别,对比国际上长久存在的8家碳纤维大公司,我们曾经有超过40家的碳纤维投资项目;我们科研体系几乎与国际同时起步,国家高度重视,科研投入也不菲,但至今为止,并未产生国际影响力的学术成果;我国的工程与项目投入,不亚于世界任何国家,既没有产生影响世界的技术成果,更未出现具有国际竞争优势的企业…… 当然,这其中确实有碳纤维的行业特色问题,国际领先公司也是经历了数十年的积累才实现盈利。然而,也存在市场力量在碳纤维产业的“失灵”,甚至“胡作非为”的问题。在中国国情下,仅仅依靠市场力量去解决问题,似乎有些理想化,产业政策是必要的。

产业政策与市场力量,学术争论常常容易陷入极端,理论推导的往往基于是理想状态的假设,在解决实际问题时,遇到的是非理想状态,甚至是非合理状态的现实问题,解决问题的智慧就体现在:认可现实存在,吸收各派学术理论的养分,兼容并包,找出最能出成效的适中方法。比如基础研究问题,仅靠市场力量,科研工作者就难以静心做学问,搞点成果就不得不急于变现,这是各类政策作用下的现实存在,如何集聚目前分散的科研资源,让科技人员能静心做研究,这就是产业政策可以发挥作用的地方。体育器材是我国碳纤维应用的优势行业,不仅是充分市场化的行业,还是典型的为品牌服务的代工体系,用市场行为去打造自主品牌异常艰难,我国有较大的体育产业发展战略,如果能巧施产业政策,借助国家力量,支持品牌建设,可大幅度提升产业价值。去年国内风电行业出现重大变化,VESTAS将订单从外资转到本土企业,带动相当部分国产纤维的需求,2018年可预期更大的驱动效应,对这类产业政策很难预计与规划的市场力量,我们需保持充分的警惕。国际碳纤维行业的低成本已经形成潮流,各类低成本技术创新风起云涌,其中市场力量与产业政策在共同发挥驱动作用。





8.2 国际碳纤维低成本技术及思考

2016年初,《日本经济新闻》报道的由日本NEDO领导,东京大学、东丽、东邦、三菱人造丝等企业与院校合作开发的“创新碳纤维基础技术”取得重大突破。该研发计划抓住了热稳定化(预氧化)这个工艺的瓶颈问题,从PAN基原丝找到“既完成热稳定化,又能被溶液溶解”的聚合方式(也包含新型热稳定性前驱体原丝),通过此思路,可消除碳化线上冗长、高能耗的预氧化工艺瓶颈,从而可采用更高速、高效的碳化(微波)与表面处理 ( 常温常压等离子体 ) 工艺,有望实现碳化线产能增加 10 倍的目标。

日本宣称:目前使用的技术是近藤工艺。1959年,日本大阪工业试验所的进藤昭男Dr.Akio Shindo发明了PAN基碳纤维的制备工艺,但制备的纤维性能一般,1963年,英国皇家航空研究所(RAE) 的瓦特和约翰逊利用预氧化中反应施加张力,获得高性能碳纤维,近藤与瓦特共同构建了这个工艺路线,目前全世界依然是沿用该工艺,所以,准确叫法应该是“近藤瓦特工艺”。该工艺的重大困难是:利用热风对PAN进行热稳定化的过程,消耗的能耗与碳排放均是钢铁的10倍以上,目前通过氧化炉的设备优化,提升除热效率而提升产能或降低能耗的努力已经达到极限。所以,必须对此技术做出巨大的变革。真可谓“成也萧何败也萧何”,“热稳定化” 这个萧何始终是碳纤维技术舞台的主角。

国际上有不少的碳纤维基础研究的创新报道,基于我们目前的技术认识水平,我们认为日本NEDO的创新是优等品:其展现了日本碳纤维业界对碳纤维技术超出世人的深刻理解;抓住了当前技术的牛鼻子-热稳定化工艺(笔者认为,一切原丝是为热稳定化服务的,这里的热稳定化除了字面意义,还包含便于预碳化的分子结构的专业内涵);展现了不仅在高性能碳纤维称霸世界,也要在低成本工业碳纤维领导世界,世界碳纤维技术的换代由日本人创造的战略雄心。此外,其最值得借鉴的系统技术思想是发现碳化的问题,从上游原丝去寻找解决问题的思路。

当然,日本人也指出,这是基础研究,而形成真正产业化技术,还需大约十年的时间。所以,我们中国的科研院校应抓紧跟踪研究。对于企业界,我们需要借鉴的是:发现当前技术短板、解决问题的技术思想,但切忌盲目跟进。并非最先进的技术就能产生最大的企业效益,就NEDO上述的技术,碳化线去除了热稳定化工艺,确实大大提升了碳化效益,但若导致原丝效率下降或成本大增,这就不一定是工业当前应采用的技术。

美国方面曾经报道:采用低成本的腈纶来生产碳纤维,可将碳纤维的性能做到T400的水平上。这貌似是一个较好的低成本思路,用低成本的腈纶来替代原丝,获得低成本的碳丝。对比上述日本人的技术思想,美国人显得太“投机取巧”了。首先,腈纶成本低于原丝的关键是:超大丝束(毛条)与相对小丝束原丝带来的不同单线产能对总成本的分摊;其次,对腈纶做预氧化碳化处理,并无太大的技术难度,关键是时间太长,效率太低,导致制造成本并不低;再次,400K~600K的碳纤维毛条该如何进入下游应用,这也是一个挑战。由于采用了低成本的腈纶,给本身就是短板与瓶颈的热稳定化增加了更大的难度,这种顾头不顾尾的技术思想,与日本不在一个层次。

上述是国际上研究碳纤维低成本技术的主流思路,从当前国际技术水平看,以高效热稳定化为核心,提升本工序的效率或创新前驱体原丝,使其分子结构更利于高效的热稳定化工序,这是国际的研究热点。值得注意的是,其成为研究热点的起因是低成本,且未牺牲高性能,同时,更合理的热稳定化反应可以释放更多纤维性能潜能。低成本技术不是“偷工减料”,不是以毛糙替代精细,反而其更深谙PAN的化学反应机理,工程手段更加精密,能耗更加趋向理论,工艺控制更加数据化。这类低成本技术的水平远远高于当今的技术(日本称之的近藤工艺)。

有人说:这些低成本技术确实好,但是,要推翻运行了50多年的、已经逐步成熟的近藤工艺,是否在工业上可行?是否在商业上划算?首先,以热稳定化为核心的低成本技术本身就源于工业的痛苦,其并非一套全新的理论,对于现有工业体系,手段是局部革新,总体的效益是革命性的。“降低放热峰,缩短预氧化时间”是每家碳纤维企业一直在努力与进步的:有些机构把重心放到原丝线上,而有些放到碳化线。原丝与氧化碳化专业也鼓吹各自专业的重要性,早些年,我国就流行过“原丝靠工艺,碳化靠装备”的不客观的说法。当我们面对现有的热稳定化工序居然有180个输入变量,美国橡树岭能把普通腈纶碳化成T400级别的碳纤维时,我们可能需要更多的系统性思考。

原丝与碳化本应成为不可分割的整体与系统,我们的目标是形成乱层石墨结构的纤维,主要经历了分子的环化与分子间的交联环化,去除其他有机物的工序,为了获得这样的目标产物,应该有一种怎样的前驱体存在形式呢?当前的PAN基前驱体,是分子量6万~8万的线性长分子,由于分子链上分布有极性的腈基,可以看成是“柔中潜刚”的分子,柔便于可纺,刚(环化反应)便于未来的石墨片层的形成。如果考虑“刚”需求,中间相沥青的沥青无疑比PAN 基“刚”得多,含有大量的稠环,但初始分子量只有300~500,这属于“又短又刚”的,极度缺乏柔性,可纺性差,但稠环分子的存在,确实利于后续石墨片层的形成。解决了可纺性,后续的氧化碳化,比PAN基的任务轻。

通过上述的比较,就单纯从“柔”与“刚”的辩证关系上,就会有多条技术路径:“柔中潜刚”—现有 PAN 基技术,“柔中带刚”—日本 NEDO 的技术,“又短又刚”—当前沥青基碳纤维,包括带芳环的其他生物基,“刚中补柔”—目前沥青基发展方向,“又柔又刚”—高耐热塑料,如聚酰亚胺PI纤维、芳纶……

对比上述的各种路径后:从当前的技术水平,PAN基尽管为碳化工序赋予了繁重的任务,但毕竟由于腈纶的基础,形成了品质稳定、成本可控的前驱体,依然是当今的主流工艺;沥青基后续碳化任务小,得率高,原材料可源自化工的废弃物,只要可纺性中间相制备有大的技术突破,利用其“刚”的本性,可与PAN基交相辉映。总之,自然界很难提供完美的前驱体。上述的描述缺乏学术严谨,希望尝试用浅显的语言来说明其背后的技术思想,敬请技术专家斧正。

8.3 东丽公司战略带给我们的启示

从产业方面,东丽当之无愧为行业领袖,对其了解越多,越尊重这家企业。让我们大致回顾一下这几年东丽的做法,借此来调整国内企业的战略与思维。

2015年初,东丽收购了常与之“唱对台戏”的ZOLTEK。行业对此褒贬不一,我们认为,不同观点的差异点是对大丝束碳纤维的理解。外行最大的误解是,能做高精尖的小丝束企业,做低成本大丝束完全没有技术问题。大小丝束其实是两个不同的世界,ZOLTEK原丝有一个独特的价值,世界上似乎没有第二家这么商业化运行,通过对腈纶老生产线的局部改动来生产原丝,其他原丝企业,即使还拥有腈纶产业,也是参考了腈纶技术,新建生产线制造原丝的,也存在资本折旧的成本差异。东丽公司,若无重大技术革新,就现有的技术路线,在日本本土不太可能做到比ZOLTEK更低的成本,即使是当今大丝束技术水平最高的三菱丽阳,也很难在日本做到ZOLTEK原丝的低成本,而东丽的小丝束没有这样严酷的成本压力。

没有碳纤维成本的优势,就不太可能与汽车、风电应用联姻。多年来,东丽在汽车复材下了巨大的工夫,但商业化的成效并不显著,眼睁睁看着SGL在汽车领域、ZOLTEK在风电领域风光无限。东丽对市场的预测是很客观的,工业应用的碳纤维用量会远远超高航空航天、体育器材这些传统应用,如果不对ZOLTEK收购,ZOLTEK保持正常发展,很可能在2020年产量反超东丽,成为世界第一。收购之后,东丽占据这大小丝束两个世界,霸主地位牢不可破。

众所周知,东丽在T700为主的传统市场,一直承受着全球几乎所有碳纤维企业的竞争,各家企业都在步步蚕食这个传统市场,价格竞争愈演愈烈。东丽已经将绝大部分T700的产能转移到韩国去生产,以获得更多的成本优势;去年11月,东丽宣布Z600 产品系列计划,利用ZOLTEK在墨西哥的低成本原丝生产技术,开发小丝束,性能高于大丝束,但低于小丝束的产品。Z600的亮点是低成本,这个项目大约2018年底建成,我们预计:Z600将对以T700为市场(传统的碳纤维市场)的所有竞争对手一轮血雨腥风的清洗。对于中国市场,2017年消耗的23,487吨中,有85%的市场属于这个传统市场,对于这一轮东丽的打击,国内碳纤维企业该如何应对?

我们再看看东丽在2017年的碳纤维销售上的优异成绩:除了之前波音公司的长期合同,2016年东丽与美国SPACE X 签订长期合同,2017年与欧洲著名火箭公司AVIO签订长期合同,同年,又与法国著名航空发动机公司SAFRAN 在长期合同基础上签订新合同。在碳纤维大部分应用领域的顶级公司,均是东丽公司的长期用户。做过复合材料应用开发公司的同仁应该很清楚,这是个多么艰难的工作。其过程的技术复杂与难度并不亚于碳纤维本身的制备,把碳纤维批量用到高端产业的构件上,确实是伟大的工程。

东丽公司的战略有两个地方值得我们深思:一个是碳纤维方面,从专注于高性能小丝束,转而收购低成本大丝束,然后对两个方面做深度融合,初次融合的成果是中等性能、低成本、小丝束的 Z600,我想以后还会推出高性能、低成本、大丝束产品。另一个是,虽然2010年,ZOLTEK的老板RUMY先生常在国际会议上批评日本企业“So many seemingly smart people do so many dumb things(太多貌似聪明的人做了太多蠢事)”,批评的要点是:“日本企业缺乏行业担当,供应充足时,低价倾销,打击对手,维护市场份额;供应短缺时,暴利销售,阻碍新的应用发展。”(上述言论摘自2010年国际碳纤维会议ZOLTEK的报告),但今天,以东丽为首的日资企业,已经悄然改变了,他们利用优质用户带来的精准市场信息,制定并落实了宏大的战略。对于东丽的市场全覆盖产品策略,我们国内某些只聚焦于“赶超东丽高性能”的人士该醒醒了,一窝蜂去占领东丽的主峰(赞成有少数军工相关的少数机构这么做),结果东丽把整个阵地给全覆盖了,就两三个人,举着旗子站在主峰上,看这下面黑压压对手。没有强大的工业基础,军工的现代化是很难有持续发展的,利用举国之力去打造一些行业的冠军,完全做得到,但一定会付出超额的成本。

需求牵引与应用驱动方面,东丽是成功典范,但对我们是个巨大的难题。政府、社会与企业做了大量的努力,其中有一个饱含争议的话题是:碳纤维企业是否该建设完整的产业链。支持者认为:我们国家的应用产业技术水平相对落后,很多行业不懂去用好碳纤维复合材料,为了销售碳纤维,不得不去建设产业链,否则怎么破局。这是事实,国内一些汽车厂家就骄傲地对碳纤维行业讲:“你们把零件给我做好,还要有批量能力,我再对比一下现在的零件成本,看是否用你们的。”反对者的观点:从原丝、碳化、中间制品、树脂、预浸料、复材设计、成型工艺到检验检测等每个环节均有大量的技术含量,国际大公司都没有能全盘驾驭的,我们的企业技术能力能否承受,面面俱到,结果哪个环节都不精,缺乏技术竞争优势。

两方观点均有足够的道理,让我们看看东丽的一些经验:

东丽公司以碳纤维为核心,逐步根据航空航天的市场布局中间制品(预浸料与织物),其中也有一些国际并购。在复合材料领域,东丽这些年主要发展的是轻薄电脑外壳、短切增强塑料,碳纤维纸以及汽车零部件领域,也主要通过国际并购完成。详细的制造工厂分布见图40。

在2018年三月份,东丽宣布用9.3亿欧元收购荷兰皇家TenCate先进复合材料公司,该公司核心技术是热固性与热塑性预浸料。作为预浸料技术的高手,东丽为何不自行开发呢?因为TenCate拥有东丽薄弱的双马来、氰酸酯及聚酰亚胺等耐高温的热固预浸料,还拥有PPS、PEEK、PEKK等热塑性预浸料技术,更为重要的是,这些材料已经获得国际航空航天企业的认可。有趣的是:上述绝大部分技术,也并非TenCate自行开发的,是近20年通过并购美国Bryte、Phoenixx、YLA、CCS、PMC Baycomp和英 国Amber Composites 而组建的。(source:东丽官网)

东丽打造产业链,以及其他国际碳纤维巨头的类似经验告诉我们:由于碳纤维产业链各个环节技术都相对复杂,难于做精,在一个车间下完成所有的产业链,技术难度巨大,是我国企业无法承受之重。这些年,中国的企业已经成为国际并购的重要力量,深刻了解国际上碳纤维复合材料产业链中有技术及商业价值的公司,通过合理并购,将我们的碳纤维与之嫁接,打造我们自己产业链,这既是行业面临的机遇,也是挑战。

8.4 复杂技术产业决定了我国工业文明程度

碳纤维复合材料是典型的复杂技术产业,对比我国目前大部分简单技术产业,简单技术产业的核心竞争力来自生产要素,所以发达国家为追求利润最大化,不惜向发展中国家转移。复杂技术产业的核心竞争力是创新与系统化技术,代表着工业文明程度,反映着社会经济的治理水平,支撑着国防军事能力,只能自主发展。复杂技术产业的成功与否,决定了国家能否完成从中国制造到中国创造,能否顺利跨越中等收入陷阱,能否实现高度工业文明。复杂技术产业的关键环节是“学术、技术、工程和商业化应用”体系的建设。这事关科研院校学术方向,企业的创新能力建设以及政府与社会的治理能力。其中的科学规律、理论值得深入研究,典型的成功案例值得向全社会示范、引导与宣传。

在简单技术领域,我们的产业实践多次验证了“后发优势”并取得了举世瞩目的成果。复杂技术领域,是否真正存在“后发优势”和“弯道超车”?这是个值得深思的命题。复杂技术产业有一个共性难题,就是产业链价值的打造与实现价值链收益异常困难,这其中,应用的开发与创造是所有工作的统帅。对于碳纤维复合材料,国家提出“需求牵引”,然而,我们国家确实缺乏波音、空客、通用电气、维斯塔斯与宝马汽车等引领世界产业发展与创新的龙头企业。我们的产业大都是模仿发达国家而来,就碳纤维复合材料的主要应用,均是国际企业率先开发、我们跟进的。另一方面,国际龙头企业,带着我们产业一起开发应用,如同风电行业和体育器材行业,我们又很容易落入代工的境地,只能赚产业链的辛苦钱,命运掌握在别人手中。

我们介绍两个行业的事,首先是碳纤维在航天领域的应用,这个行业不是个开放的市场化行业,我们借鉴西方的信息极其有限,只能自力更生,以需求为牵引,带动了整个价值链的构建与发展,不仅催生了中国碳纤维复合材料产业的诞生,也产生了具有国际竞争优势的企业。另一个例子是抽油杆,尽管碳纤维抽油杆的概念来自发达国家,但并未实现商业化应用,中石化组织了产学研用的深度合作,从纤维、抽油杆成型工艺,推广到油井试用,整改、调整作业方式,最终将碳纤维复合材料抽油杆的理论优势变成了油田的实际效益,这是个重大的系统工程成就。

努力扩大应用市场蛋糕,而不仅仅为分蛋糕而相互厮杀,这是碳纤维复合材料企业的责任与使命,有专家就开玩笑:“碳纤维生产企业的生产线上从来不用碳纤维”。针对各家企业的优势资源,如果能做成自己的蛋糕,不仅解决了自身纤维销售问题,还能惠及整个行业。上述抽油杆的开发就是一个很好的案例。

在大胆开发新应用方面,我们既要认真学习发达国家已有的经验教训,也要有敢闯敢试的勇气,我国有很多产业优势,已经是发达国家远不能比拟的:比如蓬勃建设的高铁建设;大量的桥梁、机场、减重建设工程;庞大的体育休闲产业消费群体;世界最大的风电市场与产业……另外,从供给方面,我们各家碳纤维大厂要加强差别化碳纤维的开发,今后,不必再按东丽的产品型号来开发,要根据具体应用,做出特色产品,比如气瓶碳纤维、汽车传动轴碳纤维、风电碳纤维……供给与各自应用蛋糕,将形成中国特色的产业。

国家的战略导向是另一股推动应用的力量,李克强总理提到的“马桶盖”与“笔芯”,短短时间内,国人就用上了高质量的国产产品。在推动“碳纤维复合材料的应用”与“产业因新材料而创新”方面,政府的产业政策引导大有可为。四十年在中国大地发生的经济奇迹就是源于一场深刻的思想解放,从简单制造业到工业文明的新征途中,我们需要新的思想解放,那就是——敢为天下先。