“新材料之王”大絲束碳纖維國產(chǎn)替代加速
* 來源 :《中國石化》雜志2022年第11期 * 發(fā)表時間 : 2022-11-9 8:00:00 * 瀏覽 : 1211
·10月10日，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車，并產(chǎn)出合格產(chǎn)品，產(chǎn)品性能媲美國外同級別產(chǎn)品質(zhì)量，達到國際先進水平，標志著中國石化大絲束碳纖維從關(guān)鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化成功走向規(guī)?；完P(guān)鍵裝備國產(chǎn)化，一舉破除我國碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動局面，真正實現(xiàn)自主可控。
現(xiàn)代科技的每次巨大飛躍都離不開新材料的出現(xiàn)。在新型材料中，碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，不僅具有碳材料的固有本征特性，而且兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維，被稱為“新材料之王”“黑黃金”。
“新材料之王”應用場景廣泛，不論是航空航天、能源裝備，還是交通運輸、體育休閑等領(lǐng)域，都能看到它們撐起一方天地。無人機、汽車部件、自行車、旅行箱、護膝、船槳、氧氣瓶、釣魚竿……生活中也處處有碳纖維的身影。
上海石化研發(fā)生產(chǎn)的大絲束碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。在碳纖維行業(yè)內(nèi)通常將每束碳纖維根數(shù)大于4.8萬根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維，其力學性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的7至9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。
中國石化碳纖維專家、上海石化副總經(jīng)理黃翔宇介紹，為了讓大絲束碳纖維真正擁有“中國技術(shù)”，上海石化從裝備到工藝，為大絲束量身定制了專用生產(chǎn)線，如根據(jù)大絲束的要求自行設計氧化爐、碳化爐，他們不僅成功掌握了控制溫度場的關(guān)鍵核心技術(shù)，而且配置了節(jié)能型設計，可實現(xiàn)能源綜合利用，這在國內(nèi)外裝備也是絕無僅有。
碳纖維：小絲束與大絲束
碳纖維從無到有，經(jīng)歷了100多年的發(fā)展，在國防軍工和民用方面都是重要材料，目前全球碳纖維產(chǎn)能已經(jīng)突破10萬噸量級。小到旅行箱、自行車、網(wǎng)球拍等生活用品，大到風電葉片、高鐵動車頭罩、飛機部件、衛(wèi)星導彈等高精尖設備，碳纖維應用場景廣泛。作為一種高價值新材料，碳纖維制造難度高、工藝復雜，一直都是國外進行技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷的戰(zhàn)略物資，高端碳纖維復合材料技術(shù)長期掌握在發(fā)達國家手中，美國、日本和歐洲國家在碳纖維領(lǐng)域技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先，日本東麗公司長期處于行業(yè)龍頭地位，新興國家在發(fā)展碳纖維上舉步維艱。20世紀70年代，國外已實現(xiàn)高性能碳纖維的批量生產(chǎn)。
我國碳纖維技術(shù)研發(fā)始于1962年，但由于基礎(chǔ)研究落后，碳纖維的產(chǎn)業(yè)發(fā)展一直在低水平徘徊。2000年是我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個關(guān)鍵節(jié)點。2000年以后，全球碳纖維供不應求，進口碳纖維變得非常困難，嚴重影響國防安全。2001年，師昌緒院士提出要大力發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)，得到政府高度重視，并開始大力支持碳纖維領(lǐng)域的自主創(chuàng)新。2012年，加快發(fā)展碳纖維并提高規(guī)?；苽渌奖涣腥搿笆濉卑l(fā)展規(guī)劃；2016年，“十三五”提出加強新材料產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作配套，在碳纖維復合材料領(lǐng)域開展協(xié)同應用試點示范；2021年，加強碳纖維及其復合材料的研發(fā)應用被列入“十四五”規(guī)劃重點發(fā)展領(lǐng)域；今年4月，工信部、國家發(fā)改委提出攻克48K以上大絲束、高強高模高延伸、T1100級、M65J級碳纖維制備技術(shù)。
從政策導向來看，高性能、規(guī)模化是我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。2010年我國碳纖維產(chǎn)量開始增長，2021年我國碳纖維產(chǎn)量達2.9萬噸。突破始于宇航級碳纖維技術(shù)。歷經(jīng)多年艱苦攻關(guān)，我國開始突破碳纖維制備的關(guān)鍵技術(shù)，2005年起相繼實現(xiàn)了系列碳纖維（包括T300級、T700級和T800級）的國產(chǎn)化，解決了宇航級碳纖維的自主保障問題，我國也成為繼日本、美國之后第三個掌握宇航級碳纖維技術(shù)的國家。
宇航級碳纖維又稱小絲束碳纖維。碳纖維的分類標準有很多，按絲束規(guī)格的不同，可以將碳纖維分為小絲束和大絲束。早期小絲束碳纖維以1K、3K、6K為主，逐漸發(fā)展出12K和24K，1K代表一束碳纖維中有1000根絲。小絲束生產(chǎn)工藝難度大，價格和成本較高，性能優(yōu)異，主要應用于軍工、航空航天領(lǐng)域；大絲束碳纖維通常指48K以上的碳纖維，包括48K、60K、80K等，其生產(chǎn)成本低，性價比高，主要應用于工業(yè)領(lǐng)域。
通常來講，小絲束碳纖維對可靠性、工藝性、穩(wěn)定性要求嚴苛，較高的成本也影響了下游企業(yè)應用碳纖維的積極性。大絲束相較于小絲束最大的優(yōu)勢就是成本低，隨著生產(chǎn)技術(shù)的進步、人們對碳纖維材料結(jié)構(gòu)性能的熟悉，大絲束碳纖維也越來越多用于對可靠性要求嚴苛的領(lǐng)域。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬噸，其中大絲束碳纖維需求量約為5.1萬噸，占比約43.5%。我國每年進口3萬噸左右碳纖維，其中一半以上是大絲束碳纖維。加快實現(xiàn)碳纖維及其復合材料自主可控、開發(fā)高性價比的碳纖維，對我國來說戰(zhàn)略意義重大。
中國石化：攻關(guān)與突破
中國石化在碳纖維領(lǐng)域持續(xù)攻關(guān)十余載，在大絲束碳纖維國產(chǎn)化道路上取得突破性成果。今年10月10日，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線在上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車，產(chǎn)出合格產(chǎn)品，產(chǎn)品性能優(yōu)異，質(zhì)量達到國際先進水平。同時，實現(xiàn)了硫氰酸鈉（NaSCN）溶劑路線原絲、碳纖維制備理論創(chuàng)新，形成了具有中國石化自主知識產(chǎn)權(quán)的48K大絲束碳纖維產(chǎn)業(yè)化成套技術(shù)。這標志著中國石化大絲束碳纖維技術(shù)成功實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化，破除了我國碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動局面，真正實現(xiàn)自主可控。
碳纖維按原絲種類可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，其中PAN基碳纖維成品品質(zhì)優(yōu)異、力學性能優(yōu)良，且相比于另外兩種碳纖維工藝難度更低，是最主要的碳纖維品種，目前已成為市場主流，產(chǎn)量占比超90%。2007年，中國石化決策部署PAN基碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)工作，并將項目落戶上海石化。十余年間，中國石化歷經(jīng)了從12K小絲束到48K大絲束的跨越。
“大兵團”作戰(zhàn)，以企業(yè)為主體進行“產(chǎn)、學、研、用”相結(jié)合推進協(xié)同創(chuàng)新。2007年，上海石化領(lǐng)命開始碳纖維攻關(guān)并成立攻關(guān)團隊，集中優(yōu)勢資源攻克關(guān)鍵核心技術(shù)，他們組織上海石油化工研究院、上海工程公司、國內(nèi)知名設備制造企業(yè)等，在上海市委和市政府的大力支持下，聯(lián)合北京化工大學、復旦大學等10余家科研院所、高校、企業(yè)等一起協(xié)同攻關(guān)，陸續(xù)取得階段性成果：2008年11月，碳纖維中試裝置建成；2009年3月，成功研制出12K小絲束碳纖維原絲；試驗成功后，上海石化采用自行開發(fā)的國內(nèi)獨有的NaSCN濕法工藝，以及具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，著手進行3000噸/年原絲、1500噸/年碳纖維項目建設，2012年9月，項目一階段工程建成投產(chǎn)，形成了3000噸/年聚合物、1500噸/年原絲、500噸/年12K碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)能力；攻關(guān)步履不停，緊接著上海石化科研人員開始在500噸/年12K碳纖維裝置上研發(fā)48K大絲束碳纖維，2018年1月，開發(fā)了大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化碳化工藝技術(shù)，形成千噸級PAN基48K大絲束碳纖維成套技術(shù)工藝包的技術(shù)基礎(chǔ)；2018年3月，上海石化成功試制出國內(nèi)真正意義上的48K大絲束碳纖維，并貫通工藝全流程。
“十年磨一劍。”針對大絲束特點自行設計制造國產(chǎn)化生產(chǎn)線，中國石化樹立了我國碳纖維建設史上的里程碑，成為國內(nèi)第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術(shù)的企業(yè)。截至目前，中國石化已累計擁有碳纖維相關(guān)專利251項、碳纖維復合材料專利46項，專利排名國內(nèi)第一、世界第三。
前景展望：通用級、大絲束、小絲束、高性能產(chǎn)品全面突破
未來國內(nèi)碳纖維需求將繼續(xù)保持高速增長，新能源等領(lǐng)域驅(qū)動碳纖維需求爆發(fā)。比如在海上風電項目中，風機大葉片長達100多米，目前葉片普遍采用玻璃纖維制成，但是玻璃纖維自身的重量大，強度也沒有碳纖維好，而大絲束碳纖維作為優(yōu)質(zhì)的輕量化材料，能為葉片增加強度的同時可成功“瘦身”15%~20%，提升發(fā)電能力；新能源汽車通過使用輕量化的碳纖維零部件，能明顯增加新能源汽車的續(xù)航里程。據(jù)中國復合材料工業(yè)協(xié)會有關(guān)人士介紹，到2030年以后，僅大絲束碳纖維就有望達到500億量級，它帶動的整個復合材料市場規(guī)模應該是千億級的。
根據(jù)賽奧碳纖維《2016-2021全球碳纖維復合材料市場報告》，從全球的維度來看，碳纖維需求量從2016年的7.65萬噸增至2021年的11.8萬噸，CAGR（復合年均增長率）為9.02%，2021年同比增速從2020年的3.05%提升至10.42%，2025年預計全球需求量達20萬噸，未來4年CAGR為14.10%。從國內(nèi)的維度來看，碳纖維需求量從2016年的1.96萬噸增至2021年的6.24萬噸，CAGR為26.06%，2021年的同比增速高達27.69%，2025年預計國內(nèi)需求量為15.93萬噸，未來4年CAGR為26.37%。從應用領(lǐng)域來看，2021年全球和國內(nèi)碳纖維的主要應用領(lǐng)域均是風電葉片。2021年全球碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域分別是風電葉片（27.97%）、體育休閑（15.68%）和航空航天（13.98%）；而國內(nèi)占比前三的領(lǐng)域分別是風電葉片（36.07%）、體育休閑（28.05%） 和碳/碳復材（11.22%）。風電葉片、體育休閑、航空航天、碳/碳復材等領(lǐng)域的需求占據(jù)了碳纖維市場需求的主要部分。
復合材料專家、中國工程院院士李仲平在《如何認識神奇的碳纖維》一文中表示，“在第四次工業(yè)革命前夕，在即將進入智能化、智慧化社會這個過程中，碳纖維和碳纖維復合材料將發(fā)揮越來越重要的作用”。
中國石化既是碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，也是碳纖維復合材料的研發(fā)和應用企業(yè)，在未來碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中將繼續(xù)加大科研力度，加快推進產(chǎn)業(yè)布局，全面推廣應用場景。到“十四五”末期，中國石化將在多種工藝流程實現(xiàn)通用級、大絲束、小絲束、高性能等產(chǎn)品方面的全面突破，為引領(lǐng)和推動中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出貢獻。（記者 王一冰?胡擁軍）