高性能纖維及復(fù)合材料

高性能纖維是指具有特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能和用途，或具有特殊功能的化學(xué)纖維，一般具有極高的抗拉強度、楊氏模量，同時具有耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高壓、耐酸、耐堿、耐氧化劑腐蝕等其他特性，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、交通運輸、工業(yè)工程、土工建筑、乃至生物醫(yī)藥和電子產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域。高性能纖維復(fù)合材料是以高性能纖維作為增強材料，樹脂作為基體，通過加工成型得到的復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、高強高模、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計性強、易加工成型等優(yōu)異性能。全球高性能纖維及復(fù)合材料正朝著制造技術(shù)先進化、低成本化、材料高性能化、多功能化和應(yīng)用擴大化的方向發(fā)展。從應(yīng)用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度來說，目前高性能纖維以碳纖維、芳綸纖維和超高分子量聚乙烯纖維最為強勢，且隨著下游復(fù)合材料成型制件技術(shù)的提升，市場推廣度和需求量正在不斷增加且呈現(xiàn)加速擴張的趨勢。

目前，高性能纖維及復(fù)合材料的全球產(chǎn)業(yè)以日本、美國、歐盟為優(yōu)勢主體。其中日本在碳纖維領(lǐng)域擁有絕對優(yōu)勢，東麗、帝人以及三菱麗陽（現(xiàn)三菱化學(xué)）貢獻了全球碳纖維產(chǎn)能的一半；美國則擁有在芳綸產(chǎn)業(yè)的制霸企業(yè)杜邦公司，壟斷高端產(chǎn)品技術(shù)的同時還能對低端產(chǎn)品形成價格控制；歐洲則在超高分子量聚乙烯纖維領(lǐng)域擁有處于優(yōu)勢地位的荷蘭帝斯曼公司，到目前為止仍然是全球超高分子量聚乙烯纖維的最主要供應(yīng)商，產(chǎn)能倍超其他優(yōu)勢企業(yè)。

1.碳纖維及復(fù)合材料

碳纖維是含碳量高于95% 的無機高分子纖維，具有低密度、高強度、耐高溫、高化學(xué)穩(wěn)定性、抗疲勞、耐磨擦等優(yōu)異的基本物理及化學(xué)性能，并有高振動衰減性、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數(shù)等。以高模量碳纖維作為增強材料的先進碳纖維復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞和熱膨脹系數(shù)小等一系列的優(yōu)異性能。

按照工業(yè)化生產(chǎn)路線原料，碳纖維主要可以分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，其中以PAN 基碳纖維為主流，占全球碳纖維總產(chǎn)量的90% 以上。若按照生產(chǎn)技術(shù)路線和產(chǎn)品規(guī)格來分，碳纖維通常被分為小絲束（<24K）碳纖維和大絲束（>48K）碳纖維，分別針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）簡稱碳纖維復(fù)合材料，是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、水泥、橡膠等為基體所形成的復(fù)合材料，具有較高的比強度及比剛性，輕量化效果十分明顯；主要包括碳纖維/ 樹脂基復(fù)合材料、碳纖維/ 陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維/ 碳基復(fù)合材料、碳纖維/ 金屬基復(fù)合材料等不同種類，其中碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料目前在市場上應(yīng)用范圍最廣，發(fā)展前景廣闊。碳纖維及其復(fù)合材料優(yōu)異的性能使其被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備、工程機械、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、海洋工程、石油工程、風(fēng)力能源、體育用品等領(lǐng)域。

目前全球最大的碳纖維及復(fù)合材料供應(yīng)商主要集中在日本，無論質(zhì)量還是數(shù)量均處于世界領(lǐng)先地位，尤其以日本東麗公司為代表，是目前世界上首屈一指的碳纖維生產(chǎn)供應(yīng)商，除了產(chǎn)能占絕對優(yōu)勢（年產(chǎn)幾萬噸），在航空航天高端碳纖維（強度5GPa以上）領(lǐng)域也幾乎呈技術(shù)壟斷地位，所生產(chǎn)的高強度碳纖維T1000、T1100 產(chǎn)品以及高模量碳纖維M60J、M70J 則代表著目前碳纖維產(chǎn)業(yè)的最高水品。美國是繼日本之后掌握碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的少數(shù)幾個發(fā)達國家之一，是碳纖維材料以及碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用大國，在生產(chǎn)方面更加注重產(chǎn)能的提升和成本的降低，是PAN 基大絲束碳纖維技術(shù)的主導(dǎo)國家。碳纖維材料在歐洲的起步發(fā)展緊隨日美，目前德國西格里（SGL）是較為強勢的供應(yīng)商，歐洲對輕量化材料、可持續(xù)材料的旺盛需求也促使了各大跨國集團在歐洲設(shè)立生產(chǎn)基地，占據(jù)了很大一部分的產(chǎn)能比例。亞太其他地區(qū)及大中華地區(qū)的碳纖維企業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，雖然仍然不能對傳統(tǒng)巨頭帶來撼動，但是以中國為代表的碳纖維產(chǎn)業(yè)新增力量一直備受行業(yè)的關(guān)注。

在國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》中，碳纖維被列為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料之一，發(fā)展規(guī)劃目標(biāo)為：2020 年國產(chǎn)高強碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)成熟度達到9 級，實現(xiàn)在汽車、高技術(shù)輪船等領(lǐng)域的規(guī)模應(yīng)用；2025 年，國產(chǎn)高強中模、高模高強碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)成熟度達到9 級；力爭在2025 年前，結(jié)合國產(chǎn)大飛機的研發(fā)進程，航空用碳纖維復(fù)合材料部分關(guān)鍵部件取得CAAC/FAA/EASA 等適航認證。在政策促進下，我國近年來涌現(xiàn)了大批量的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，總理論產(chǎn)能超過20000 噸。據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)估算，2016 年我國碳纖維實際產(chǎn)量約為4500 噸，2015 年約為3840 噸，增幅較大。

在最近一年內(nèi)，我國各大碳纖維企業(yè)陸續(xù)在碳纖維及復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)能方面取得突破。2017 年1 月，江蘇恒神公司的國內(nèi)首創(chuàng)、高寬數(shù)米、長度近二十米的下一代碳纖維復(fù)合材料車體即將完成鋪縫固化工序，成型出廠，這表明恒神公司已經(jīng)進入了碳纖維技術(shù)和成果的收獲期。9 月，中復(fù)神鷹“千噸級SYT55（T800）碳纖維新線項目”正式投產(chǎn)，標(biāo)志著中復(fù)神鷹進入一個新的時代，繼續(xù)引領(lǐng)國內(nèi)行業(yè)發(fā)展，在世界碳纖維領(lǐng)域邁出戰(zhàn)略性的關(guān)鍵一步。該項目于2017 年2 月22 日開工建設(shè)，8 月28 日建成并進行試生產(chǎn)，總投資近1 億元，是繼去年5 月份成功投產(chǎn)并連續(xù)穩(wěn)定運行的千噸級T800 原絲生產(chǎn)線，以及在現(xiàn)有的百噸級T800 碳纖維生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，技術(shù)提升并邁出新的一步。12 月，吉林化纖集團1.2萬噸大絲束碳纖維碳化項目一期2000 噸生產(chǎn)線試車成功，該項目是由吉林化纖集團與浙江精功集團有限公司共同出資、合作建設(shè)，它的建成投產(chǎn)，填補我國大絲束碳纖維生產(chǎn)的空白。同時依托吉林化纖碳谷公司優(yōu)質(zhì)的碳纖維原絲，將實現(xiàn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈集合，促進國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)以及新材料領(lǐng)域的發(fā)展。2018 年，該項目將增開第二條生產(chǎn)線，進一步優(yōu)化技術(shù)，降低成本，實現(xiàn)利潤收入。

目前我國高性能碳纖維材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，針對市場主要為航空航天領(lǐng)域，同時著力瞄準(zhǔn)勃發(fā)的新能源市場，包括風(fēng)力發(fā)電、壓力容器（儲氫罐），以及潛在的新型汽車輕量化材料市場。但我國的碳纖維材料產(chǎn)品大多仍處在試運行、少量裝機等階段，與下游產(chǎn)業(yè)的合作仍需加強。應(yīng)用端開發(fā)不充分也導(dǎo)致了大量碳纖維生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能虛高，企業(yè)運營壓力較大。隨著碳纖維的民用化、低成本化發(fā)展，以及下游復(fù)合材料成型技術(shù)的不斷提升，碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在未來需進一步加強與應(yīng)用端產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)研聯(lián)動，抓住市場機遇，為國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)找尋突破。

2.芳綸纖維及復(fù)合材料

芳綸全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，是一種高科技特種纖維，它具有優(yōu)異的力學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能。芳綸主要分為間位芳綸和對位芳綸兩大類。間位芳綸具有長久的熱穩(wěn)定性、本質(zhì)阻燃性、優(yōu)良的電絕緣性，以及優(yōu)異的耐腐蝕、耐輻射等特性，主要被應(yīng)用于電絕緣服、高溫防護服、高溫傳送帶、高溫過濾等領(lǐng)域。對位芳綸具有高強度、高模量、高耐熱性，以及良好的抗沖擊、耐腐蝕和抗疲勞性能，憑借上述特點，對位芳綸還經(jīng)常被稱作“防彈纖維”，并被廣泛應(yīng)用于國防軍工、航空航天、個體防護及體育休閑等領(lǐng)域。

從總體來看，杜邦和帝人在全球芳綸纖維市場占據(jù)主導(dǎo)地位。根據(jù)水清木華研究中心（ResearchInChina）的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，僅杜邦與帝人兩家企業(yè)就占據(jù)了全球70% 以上的市場份額。杜邦無論是在間位芳綸還是對位芳綸領(lǐng)域，都是國外芳綸企業(yè)中的佼佼者。美國杜邦是最早成功研制間位芳綸的企業(yè)，并于1967 年實現(xiàn)了間位芳綸Nomex? 的商業(yè)化生產(chǎn)。同時，杜邦還是對位芳綸的發(fā)明者和最重要的生產(chǎn)商，1972 年便實現(xiàn)了對位芳綸Kevlar? 的產(chǎn)業(yè)化。在芳綸發(fā)展的后續(xù)幾十年中，杜邦依然保持著其領(lǐng)先地位，無論從技術(shù)水平還是產(chǎn)能方面，都較其他企業(yè)有著絕對優(yōu)勢。

日本帝人作為緊隨杜邦之后的芳綸纖維巨頭，在最近一年中動作頻頻。2016年12 月，帝人宣布重組聚酯纖維和芳綸纖維事業(yè)，公司原來的高功能纖維事業(yè)本部將主攻芳綸纖維相關(guān)事業(yè)。2017 年7 月，帝人芳綸宣布擴大其Twaron 芳綸纖維的產(chǎn)能。10 月，帝人芳綸宣布位于日本松山的一條全新的Technora 生產(chǎn)線已經(jīng)建成投產(chǎn)。同時，其位于荷蘭埃門的Twaron 工廠新投資的產(chǎn)能于2019 年第一季度建成投產(chǎn)。12 月20 日，帝人芳綸又宣布計劃將Twaron 超級纖維產(chǎn)能提高25% 以上，這一額外的產(chǎn)能將在未來五年內(nèi)完成。帝人的這一系列戰(zhàn)略及產(chǎn)業(yè)舉措都揭示了其穩(wěn)定地位、擴大優(yōu)勢的決心。

與眾多國外巨頭企業(yè)相比，我國芳綸纖維發(fā)展起步較晚，無論是技術(shù)水平還是規(guī)?；a(chǎn)均處于落后階段。但是在政府政策大力支持和國內(nèi)企業(yè)飛速發(fā)展的共同努力下，我國芳綸纖維產(chǎn)業(yè)已取得了快速發(fā)展。據(jù)水清木華研究中心的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016 年我國芳綸纖維產(chǎn)量約為1.4 萬噸（全球占比12.5%），同比增長8.3%；2011-2016 年的年均復(fù)合增長率為10.4%。2017-2021 年，受國家政策的持續(xù)推動，芳綸市場將繼續(xù)保持10.0% 左右的增長速度。

我國目前已出現(xiàn)多家產(chǎn)能達到千噸以上的芳綸廠商，其中煙臺泰和新材料股份有限公司的間位芳綸生產(chǎn)能力達到5600 噸/ 年，成為僅次于美國杜邦成為全球第二大間位芳綸生產(chǎn)和供應(yīng)商，且具備同時生產(chǎn)間位芳綸和對位芳綸的能力。此外，超美斯新材料股份有限公司、廣東彩艷股份有限公司、河北硅谷化工有限公司、中藍晨光化工研究設(shè)計院有限公司、中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司、河南神馬尼龍化工有限責(zé)任公司、蘇州兆達特纖科技有限公司等企業(yè)也為我國的芳綸纖維發(fā)展做出了很多貢獻。2017 年煙臺泰和新材料在芳綸纖維的應(yīng)用和研發(fā)上都取得了一定成績。

小結(jié)

國際高性能纖維及復(fù)合材料市場正在迎來空前的發(fā)展期，我國已經(jīng)在關(guān)鍵技術(shù)、裝備、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以及下游應(yīng)用領(lǐng)域取得了重大進展，未來我國會繼續(xù)通過高性能纖維及復(fù)合材料等關(guān)鍵材料和技術(shù)的自主研發(fā)、產(chǎn)業(yè)上的聯(lián)動突破，逐步實現(xiàn)從根本上擺脫高性能纖維受到的限制，實現(xiàn)進口替代，形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。針對我國高性能纖維及復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，以下為若干未來發(fā)展措施建議：

1.持續(xù)加大技術(shù)創(chuàng)新，不斷突破關(guān)鍵技術(shù)。高性能纖維及復(fù)合材料生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)控制節(jié)點較多，需要從原料、設(shè)備、關(guān)鍵工藝等多個角度進行全方位的瓶頸突破，以保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和系列化。尤其在高性能纖維高端應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵制備技術(shù)、低成本化制備技術(shù)、關(guān)鍵制備設(shè)備等重要環(huán)節(jié)，需要持續(xù)加強技術(shù)研發(fā)與自主知識產(chǎn)權(quán)體系的建立。應(yīng)該形成以企業(yè)為主體，聯(lián)合高校、科研院所、政府平臺的共同創(chuàng)新體系，充分利用互補資源，同時加強對外交流與技術(shù)引進，全面促進我國高性能纖維技術(shù)的快速發(fā)展。

2.積極加強宏觀引導(dǎo)，推動產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展。我國高性能纖維及復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)的理論產(chǎn)值虛高，開工率普遍較低，針對實際需求的產(chǎn)品有效供應(yīng)仍然不足，在很大程度上依然依賴進口。這里既有產(chǎn)品性能穩(wěn)定性的原因，同時也有產(chǎn)業(yè)發(fā)展定位的問題，造成了低端產(chǎn)品集中過量、高端產(chǎn)品難以滿足需求的局面。這就需要針對高性能纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)進行宏觀的產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃和有針對性的引導(dǎo)，避免產(chǎn)業(yè)扎堆和惡意競爭，著重布局缺口產(chǎn)業(yè)。此外，我國高性能纖維的下游產(chǎn)業(yè)應(yīng)用同上游生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在著供需關(guān)系不平衡、合作聯(lián)系不緊密的現(xiàn)象；同時，國內(nèi)高性能纖維的下游應(yīng)用市場仍然沒有被充分打開與挖掘。對此，上游企業(yè)未來應(yīng)更多地關(guān)注與下游產(chǎn)業(yè)的溝通，進行更有應(yīng)用針對性的產(chǎn)品開發(fā)，同時與下游產(chǎn)業(yè)協(xié)同挖掘高性能纖維的新應(yīng)用、新市場，在滿足國家需要和民生發(fā)展需求的同時，實現(xiàn)自身的持續(xù)發(fā)展。

3.推動行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，積極培育骨干企業(yè)。我國高性能纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)目前對產(chǎn)品質(zhì)量的規(guī)范性工作仍待加強，尤其在高端產(chǎn)品領(lǐng)域，存在著企業(yè)實際產(chǎn)品性能不合乎理想值、質(zhì)量不穩(wěn)定的情況，對高性能纖維及復(fù)合材料的應(yīng)用推廣帶來嚴重影響。相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計要求對高性能纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極的促進作用，我國可以根據(jù)自身的實際情況，同時借鑒國外高性能纖維產(chǎn)品的性能特征，建立我國高性能纖維產(chǎn)業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范。通過規(guī)范的建立，也可以促進行業(yè)內(nèi)部的良性競爭，幫助確立行業(yè)標(biāo)桿，擴大我國在國際高性能纖維及復(fù)合材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)影響力。