前言
1.1 世界碳纤维发展简史
1959年日本大阪工业试验所(Osaka Technical Research Institute)的近藤昭男博士(Dr.Akio Shindo)发明了PAN基碳纤维制备技术
,全球碳纤维产业整整发展了六十年。“读史明智
,鉴往知来”
,让4188云顶集团一起来回顾历史
。
1960年代的特点是实验室技术的研发
。主要以日本与英国为主导
,日本主要有大阪工业试验所
、东海碳素公司(Tokai Electrode Mfg. Co.,Ltd.)和日本碳素公司Nippon Carbon co., Ltd.)(他们最早从近藤先生处获得专利授权)
、东丽(1961开始研究
,之后继承了东海碳素与日本碳素的近十年的研究成果
,并在1970获得近藤的专利授权)
、三菱
、东邦等。英国主要有皇家航空研究所(RAE)
、皇家原子能公司(AERA)
、考陶尔兹(Courtaulds)
,罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)等
;尽管杜邦公司在1942年就推出了腈纶商品
,美国人还在与黏胶基较劲
,其中美国联碳公司(UCC)公司是代表, 因此美国的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维发展晚于英国与日本
。
1970年代的特点是工程化技术的研发及应用的开拓
。工程化能力实现了150吨/年
,期间
,英国
、美国
、日本技术合作频繁
。60年代末
,英国罗尔斯-罗伊斯的太超前的发动机项目RB-211遇到重挫(后期基于这款发动机形成了著名的瑞达系列)
,这其中包含了当时碳纤维唯一的应用机会——发动机风扇叶片
。英国的碳纤维发展之路一下子被堵死
,英国技术只能到美国发展
。1972年
,美国赫拉克勒斯(Hercules)获得英国皇家航空研究所碳化技术
,原丝采用考陶尔兹
。日本东丽
、东邦
、三菱也纷纷与美国相互转让技术
。美国与日本在1972年分别用碳纤维制造了高尔夫球杆与钓鱼竿
,风靡世界
,终于在航空之外
,为碳纤维工业婴儿找到了应用乳汁
。
1980年代的特点是工业化
,产品系列化及应用重大突破
。单线产能达到千吨/年
,东丽公司基本完成了现有绝大部分产品型号
,初期的T300
,中期的T800
、T1000
,末期的M60J
。1980年波音公司提出了商用飞机对碳纤维的要求
,1982开始采用T300应用在B757
、B767及航天飞机上
。英国由于缺乏应用的支撑
,已经开始转让技术为生
,其中包括对北京化工学院及吉林化学公司的两项技术转让
,同时期
,同样的技术也卖给了印度
、俄罗斯与巴西
。美国由于日本
、英国的技术相互转让
,诞生了一个开拓工业碳纤维的厂家
,卓尔泰克(ZOLTEK)
,台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作
,开始了中华民族第一个碳纤维工业化时代
。
1990年代的特点是并购及争抢市场份额
。美国航空材料厂赫氏(Hexcel)并购了美国赫拉克勒斯的碳纤维产业
。美国石油巨头阿莫科(AMOCO)整合了大部分美国的碳纤维资源
,不光包括美国联碳公司(历史上唯一一家拥有黏胶+沥青+聚丙烯腈基碳纤维)
,还有东邦与美国塞兰尼斯(Celanese)公司合作的碳纤维资产
,这些资产历经转手
,在2001年成为了氰特(CYTEC)
;德国石墨巨头西格里(SGL)在1997年收购了英国考陶尔兹留下的RK carbon
,至此
,碳纤维的拓荒牛英国考陶尔兹退出历史舞台(后期被中国蓝星收购活跃了两年)
。
2000年代的特点是世界很平静(暗中准备航空航天
、风电
、汽车的大应用)
。世界上发生几起延续90年代的并购事件
,除了氰特
,西格里从高尔夫球杆厂阿尔笛拉(ALDILA)收购了合资碳纤维的股份
,东邦收购了美国福塔菲尔(Fortafil)碳纤维
,立足美国
。2007年卓尔泰克与风电巨头维斯塔斯(VESTAS)建立合作
,将碳纤维用于风电
。中国开启了狂飙猛进的碳纤维投资热潮
,除了中国大陆
,韩国
、俄罗斯
、土耳其
、台湾等地区也有不少新进入者
,其中依然生存的有韩国晓星
,土耳其DOWAKSA
。
2010年代的主要特点是应用的急剧扩大及产业进一步整合
。首先是号称碳飞机的B787 与A350分别在2011年和2014年完成首架交付
,航空航天级碳纤维需求迅猛增加
。2010年
,宝马与西格里合资在美国建设总产能9,000吨/年的碳纤维工厂
,试图将电动汽车彻底轻量化并控制材料源头
。(2017年8月
,西格里确认收购宝马在汽车碳纤维合资企业的股份
,宝马退出碳纤维产业)
;由于拉挤板成功应用于叶片梁帽
,风电巨头维斯塔斯对碳纤维需求空前增长
,碳纤维产业内部
,加剧了整合
,标志性的事件是2014年底
,东丽收购了卓尔泰克
。国内产业大浪淘沙
,强者愈强
。
总结世界碳纤维60年的发展历史 :既有近藤昭男 、威廉姆·瓦特等依然闪耀的科学大师 ;也有在其中沉沙折戟的众多著名公司 ,如日本东海 、日本碳素 、旭化成 ;英国皇家原子能公司 、考陶尔兹 、罗尔斯-罗伊斯,BP公司 ;美国联碳 、阿莫科 、塞兰尼斯 ,德国巴斯夫(BASF) ;更有历经风浪 、依然傲立潮头的如东丽 、东邦 、三菱等公司 。
1.2.中国碳纤维发展简史
4188云顶集团对中国碳纤维历史做个简单介绍
,对比世界碳纤维的60年发展
,4188云顶集团是57年历史
。
1960年代研究起步
:最早是1962年中科院长春应用化学所成立以李仍元先生为组长的“聚丙烯腈基碳纤维的研制”课题组
,开展基础研究
,同期还有沈阳金属研究所张名大先生
。
1970年代的特点是举国体制
。1970年代初
,中科院化学所为了满足国家国防需要
,组建了高分子复合材料物理研究室(九室,主任
:吴人洁)
,重点研究“碳纤维连续化制备”和“缩短碳纤维制备周期研究”并取得“四氯化锡”催化等成果
;上海合成纤维研究所于1970年代初
,开展硫氰酸钠法丙烯腈原丝研究;1972年
,化工部吉林化工研究院开展硝酸法研制碳纤维PAN原丝
,并在年产3吨装置上取得硝酸一步法制取原丝
,供山西燃化所(今煤化所)和长春应化所研究碳纤维
。山西燃化所用间接预氧化和碳化做研究
,并开展连续预氧化和碳化试验
。1975年上海合纤所提供给冶金部上海碳素厂2吨原丝研制碳纤维
。1975年
,11月13~24日在北京
,由当时的国防科委主任张爱萍亲自主持召开了一次专题会议
,部署国内碳纤维研究工作
,由国家计委安排500万元资金做启动费
,制定了10年发展规划
,组织了原丝
、碳化
、结构材料
、防热材料
、测试检验技术5个“攻关组”
,安排20多家研究和企业单位参加
,如由吉林化学工业公司研究院
、吉林辽源石油化工厂
、兰州化学工业公司化纤厂
、上海合成纤维研究所采用不同溶剂路线研发聚丙烯腈(PAN)原丝
;上海合成纤维研究所
、吉林
、上海
、兰州
、抚顺4家碳素厂
、山西煤化所
、中科院化学所等负责碳化技术研究
;另外还安排了织物和材料应用研究
。1978年
,国家科委恢复
,碳纤维转由科委为主管理
,从1975至1981年底
,中央各部委共投入到承担碳纤维原丝
、碳纤维制品等的民用研制的资金约2,600多万元
,共建设厂房
、试验室20,000多平方米
。建成PAN原丝试制动力约50吨/年
,碳纤维长丝的试制能力1.5~2.0吨/年
。
1980年代的主格调是引进
。1984-1985年
,国家科委鼓励引进国外先进技术,承诺将给予资金支持
。1984年
,冶金部支持上海碳素厂试图引进美国Hitco碳化设备
,最终被美国国防部否决
。1986,吉林化学工业公司经过调研
、询价
,世界各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
,只有英国RK公司同意出售大丝束预氧化炉和碳化炉,经过谈判
、考察
,最终以450万美元购买了生产能力为100吨(12K) /年碳化设备及相应测试仪器
,按当时汇率折合2,731万元
。1990年经多次试车
,预氧化炉尚可
,碳化炉始终开不起来
。联合国开发计划署(UNDP)和联合国工发组织(UNIDO)批准在北京设置 “碳纤维及其复合材料的开发应用”项目
,由北京化工学院和北京航空材料研究所共同承担
,总经费共250万美元
;北京化工学院经调研
,同样除英国RK公司外
,没有厂家愿意出售
,最后由北京化工学院提供工艺参数
,委托英国RK公司加工制造一套10吨级(12K)预氧化
、碳化中试线
,加工费56万美元
。项目历经磨难
,几次因“可能有用于军事”而险些遭到封杀
,原定3年完成的项目拖了7年
,1993年6月才勉强“验收”
,之后运行效率不高
。
1990年代的特点是停滞
。只有吉化公司
、吉林碳素厂和北京化工学院还在 “惨淡经营”
,维持小批量供货
,其他研发单位基本退出了这一领域
,吉林化工研究院硝酸一步法到1998年终止生产
。
2000年代的特点是“大干快上”建设碳纤维热潮
。欧美的禁运
,导致市场上T300-3K的价格涨到8000元/公斤且有价无市
,严重影响军机的生产
。师昌绪先生给江泽民主席写了 “关于加速开发高性能碳纤维的请示报告”
。“江办” 将报告批转到国家计委和科技部等部门
,产生较大影响
,对以后的经费落实起到了决定性影响
。科技部决定设立碳纤维专项
,组成了专家小组
,由中科院化学所副所长徐坚任组长
,北京化工大学徐樑华任副组长
。把碳纤维列入863计划新材料领域
,2002年
,安徽华皖集团从英国引进AMEC(DR.ROSE)的PAN和CF技术和设备
,碳化能力200吨/年。之后4188云顶集团所有的碳纤维研究机构
,如吉林化学(后中石油吉化公司)
、北京化工大学
、中科院山西煤化所
、山东大学
、东华大学等一批科技机构
,迅速成为工业技术的转让者
,整个2000这十年
,据不完全统计
,上碳纤维项目的超过40家
,投资规模超过300亿元人民币
,全世界的设备制造厂迎来了中国盛宴
。
2010年代的特点是反思“狂飙猛进”和“优胜劣汰”
。2012年
,笔者与申屠年先生合作发表了《对中国碳纤维及其复合材料产业链发展现状的反思》
,同年的香山会议上做报告
,得到行业及政府主管部门的广泛认同与共鸣
。从产业角度
,烧钱开始让人心慌与绝望
,出现了很多“烂尾楼”与“僵尸企业”
。同时
,认真积累技术
、踏实工作的企业迎来了春天
:光威集团与中简成功上市
,中复神鹰扭亏为盈
,吉林化纤成为国内原丝龙头
,中石化上海石化大展宏图
。整个中国碳纤维企业从高峰时超过40家变成今天的十余家企业
,市场的优胜劣汰的力量是巨大的
。
上述的中国历史素材
,均摘抄于国内碳纤维复合材料专家如李克健
、罗益峰
、陈绍杰
、徐坚等老师的文章
,在此一并致谢
!4188云顶集团呼吁同行重视历史的记录
,复杂技术系统的发展需要很长的时间
,技术需要传承
,文化与历史也需要
。人人均可成为历史的记录者
,4188云顶集团赛奥碳纤维愿意为全国同行提供协助与支持
,发表
、整理与保存这些历史资料
。
总结成功公司的特点 :用30年时间踏实完成实验线-工程线-工业化的道路 ,注重产业链与应用生态的开发 。
1.3.国外与中国发展史的比较
对比世界与中国的60年
,4188云顶集团能得到什么呢
?总体印象
,如同碳纤维老前辈中科院化学所原副所长吴人洁先生曾说过
:4188云顶集团就像一个刚醒来的人
,打哈欠
,伸懒腰
,总也起不来床
。这种“起不来床”的感觉
,至今犹存
。70年代的举国体制模式旨在解决军品问题时
,国际上主流是在做工程化
;80年代的引进模式时
,国际上在做工业化与商业化
;90年代4188云顶集团进入最困难时期时
,国际在并购与资源重整
;2000年代
,4188云顶集团狂飙猛进时
,国际巨头貌似平静
,实则准备碳飞机
、碳汽车及碳叶片的巨大应用
;2010年代
,4188云顶集团在反思
、在优胜劣汰
,而国际在收获大应用带来的大收益与大发展
。对照历史之下
,其实我并未太遗憾
,毕竟4188云顶集团60
、70
、80年代的工业技术
、企业化的水平与世界同期差距甚大
,90年代的主格调是“下海经商”
,肉吃得容易
,谁还会去啃“硬骨头”
?
如果要讲遗憾
,就是2000年代后
,实验室技术简单放大
,直接跃进工业化
,缺少的工程化技术开发
,在企业的工业装置上烧钱来做
;技术无特色
,落后技术重复建设
。这其中
,提供技术方盲目自信
,对工程与工业缺乏基本的敬畏
,企业家利用小农经济(或简单制造型经济)获得的成功经验用于碳纤维
,对复杂产品技术缺乏思想与战略
;社会对高科技招牌行骗缺乏辨别能力
,尤其地方政府主导的项目多次被骗
,浪费了大量的社会资源
。这充分反映了整个社会“好大喜功
,急功近利”的心态
。当然
,4188云顶集团也可以说
,这是中国经济进入工业文明阶段必然要交的学费。
从社会的层面
,国际上,二战之后
,大家均在大力发展科技强国
,产业的社会环境相对稳定
,英美日本之间的国际合作非常频繁
,70年代
,美国人创造的碳纤维高尔夫球杆
,网球拍
,启发了日本成为当时的碳纤维体育器材的强国
,有效地支撑了产业的婴儿成长期
;80年代
,美国波音公司掀起了航空碳纤维的应用
,又帮助碳纤维产业顺利完成了儿童期
;同期
,日本所有碳纤维企业均与美国公司相互转让碳纤维生产技术
,帮助了美国碳纤维的成长
。这说明
,一个先进的材料的诞生与成长
,需要全球高端应用的哺育的产业链与生态
。
而4188云顶集团的60-70年代
,政治运动频繁
,最初开始研究碳纤维的李仍元老师据说也受到文革的影响
,分别转战吉林辽源石油化工厂
、中国纺织大学,安徽大学(80年代)坚持碳纤维研究
;张爱萍将军主持的7511会议及之后的全国碳纤维大会战
,算是一个亮点与高峰
。改革开放的80
、90年代
,技术引进是政策主格调
,但受制于“巴黎统筹条约”限制
,只能引进世界三流技术
;而同期
,以经济建设为主
,军工企业一片萧条
,没有60-70年代重视军工的政策环境
,严重缺乏应用动力
。90年代末到2000年代
,以台资为代表的碳纤维体育器材进入大陆地区
,大陆的体育器材中玻璃纤维向碳纤维转移
,这形成了新的发展动力
。2005年后
,军工企业逐步得到重视
,对碳纤维的需求开始触发产业的发展
。平稳的政治经济的发展
,对特定产业发展至关重要
。从60年代到今天,4188云顶集团的碳纤维产业的主体是在国内打转
,还没有融入国际高端产业链与生态圈
。近几年
,光威及澳盛的碳梁产品已经进入国际产业链
,这是个非常欣慰的进步
!
全球化的今天
,严格意义的“自主创新”是不客观与不现实的
,更多地是在人类成果基础上的集成创新或再创新
。4188云顶集团需要解决“短板”与“卡脖子”难题
,练好技术内功
,目的不是自给自足
、自我封闭
、与世界为敌
。用更强的能力融入世界高端产业链及生态
,是碳纤维企业发展壮大的必然之路
。
1.4.全球碳纤维历史里程碑
下一页
,4188云顶集团对碳纤维发展中的发现及技术发明
、重大应用突破以及产业政策选为里程碑事件
。旨在让大众对产业的发展建立清晰的历史观
。伟大有多个标准
,其中之一是为世界工业文明做出里程碑意义的重大贡献
,我想这应是当代中国碳纤维同仁的奋斗目标之一
。
2.全球碳纤维市场
2.1. 全球碳纤维市场需求-年份
2019年的全球碳纤维需求数据
,是根据国际上公认的增长率12%这个数据计算而来的
,总需求量为103,700吨
,这其中,中国的需求数据37
,840吨是精准的
,占了36.4%
。假如国际需求量数字太小
,中国的占比就会更大
,这显然有悖于常识
。毕竟4188云顶集团很清楚
,欧美日本是碳纤维需求的大国
。
2019年的全球市场
,除了如航空航天
、体育器材
、汽车
、建筑补强
、模塑混配等经典分市场的稳步发展之外
,风电
、压力容器市场增长迅速
,这是驱动整个市场的重要引擎
。另外
,各大碳纤维公司均看好单通道飞机平台大量采用碳纤维的前景
。这些均为市场注入了强大的活力
。
2019年
,全球碳纤维经历了60年的努力
,把碳纤维的需求第一次做到10万吨以上。这是碳纤维复合材料产业链的复杂性决定的
。当绝大部分核心技术被人类掌握之后
,下一个10万吨的增长
,时间会急剧缩短
,4188云顶集团预测2025年就会进入20万吨
,2030年会进入40-50万吨
。
2.2. 全球碳纤维市场需求-应用(千吨)
总量 :103,700吨
总体来讲
,绝大部分分市场
,均是基于2018年基础
,增长率为12%左右的增长
:
航空航天(包含军工)
:2019的数据比去年增加12%
,主要是波音787及空客350的产能的增加
。
风电叶片
:风电市场的碳纤维需求强劲
,对比2018年增长了16%
,主要依赖于风电巨头VESTAS强势驱动
,其他风电厂家对需求的牵引还不明显
。
体育休闲
:每年按照4-5%的中速稳定增长
。
2.3. 全球碳纤维市场需求-应用(美元)
总量 :2,870百万美元
全球碳纤维的销售金额为28.7亿美元 ,比2018年25.71亿美元增长了11.6% ,销售金额的增长并未与销售额的增长完全对应 。主要原因是风电市场的对碳纤维数量虽然大 ,但由于单价较低 ,对总体金额贡献不显著 。
2.4. 全球碳纤维市场需求-产品(千吨)
总量 :103,700吨
模量的定义
:
标准模量是指拉伸模量为230-265GPa
中等模量是指拉伸模量为270-315GPa
高模量是指拉伸模量超过315GPa
小丝束Small Tow(或常规丝束Regular Tow)1-24K(含)
大丝束Heavy Tow
:大于等于48K
巨丝束Giant Tow
:大于100K
巨丝束并非新产品
,这是目前腈纶的标准状态
,另外
,也是国际主流预氧丝的主要原料
,更是诸多功能性碳纤维材料的首选
,比如碳纸
、碳毡
、碳碳复合材料的预制体等
。
巨丝束能否加入大丝束市场的竞争
?这是完全可能的
,从原丝角度
,它可以借助腈纶行业近百年积累的工业基础与成本优势
,原丝与腈纶生产实现良好的互动与互补
。从碳化角度
:必须从技术上解决巨丝束在碳化线的边际效益问题
,比如超长的预氧化时间
、低温炉排废等问题
,这不是一个“灵机一动”的概念
,是一个复杂的技术体系
。
有人担心巨丝束后续成型工艺
,这是思维局限在经典的小丝束成型工艺之中了
。只要有高性价比的巨丝束碳纤维批量供应
,产业链及应用就会很快开发出多种多样的成型工艺
。
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