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久久为功,我国碳纤维行业开花结果
2020-12-26

——中国·丹阳碳纤维及复合材料产业链创新发展论坛暨

  2020年中国化纤协会碳纤维分会年会召开


文 | 冬子

2020年11月26~27日,中国·丹阳碳纤维及复合材料产业链创新发展论坛暨2020年中国化学纤维工业协会碳纤维分会年会在江苏省丹阳市召开。中国纺织工业联合会副会长、中国化学纤维工业协会会长端小平;中国工程院院士蒋士成;中国科学院院士朱美芳;江苏省丹阳市委副书记、副市长许根林,副市长、开发区党工委书记束克之;工业和信息化部消费品工业司主任科员吴桐;科技部科技创新发展研究中心副处长于笑潇;中国化学纤维工业协会副会长贺燕丽、陈新伟;国家先进功能纤维创新中心主任王玉萍;江苏恒神股份有限公司党委书记、董事长李仰东;江苏恒神股份有限公司总经理;恒宝股份有限公司董事长钱京等领导嘉宾,以及来自江苏省生产力促进中心、丹阳市委组织部、科技局、经发局,国内外碳纤维生产及应用企业、高等院校、科研院所、媒体等200多人参加会议。会议由中国化学纤维工业协会副秘书长吕佳滨主持。

本次会议由中国化学纤维工业协会、江苏省生产力促进中心、丹阳市人民政府主办,丹阳市科学技术局、中国化学纤维工业协会碳纤维分会、江苏恒神股份有限公司、丹阳市高新技术创业服务有限公司承办,主题聚焦“新形势下的中国碳纤维可持续发展”。

 

久久为功结硕果


江苏省丹阳市委副书记、副市长许根林在致辞时指出,近年来,丹阳新材料产业年均增幅达到30%以上,全行业销售收入近500亿元,新材料产业规模以上企业数量达到100多家,高新技术企业40多家,省级以上研发机构30多家,基本建成了涵盖高性能基础材料、高端纤维材料、高分子复合材料等门类齐全的综合性新材料产业体系。自2002年被国家科技部认定为国家火炬计划新材料产业基地以来,经过多年的发展,丹阳已成为国内金属材料、高分子复合材料、功能材料等领域集研发、制造于一体,在国内和业界有一定影响的新材料产业基地。其中高性能合金材料和碳纤维复合材料中的部分产品已与国防和国民经济重大工程配套。

他特别提到,作为“十三五”战略性新兴产业规划中的重要组成部分,碳纤维和复合材料产业在这五年得到了长足的发展,取得了一系列突破性的成就,为强国强军、改善民生提供了重要的支撑。作为一个以制造业为主体的长三角工业城市,丹阳市一直以来都将包括碳纤维在内的产业作为重点打造的经济支柱产业和创新驱动引领。

在丹阳,有一家由优秀共产党员钱云宝同志于2007年创建的优秀的碳纤维企业——江苏恒神股份有限公司,公司党委书记、董事长李仰东在致辞时介绍,经过十多年的艰苦创业,恒神发展并形成了以碳纤维、上浆剂、树脂、预浸料、织物生产和复合材料制件制造于一体的全产业链研发、生产、销售和技术服务体系。2019年3月陕煤集团通过二级市场定向收购恒神40%股份,成为控股股东。陕煤集团重组恒神股份是落实“以煤为基、能材并进、技融双驱、蜕变转型”的发展战略的新尝试,是践行高质量发展的新布局,是打造“具有世界影响力的新材料与高端制造服务商”发展愿景的新部署,是陕煤创建具有国际竞争力的世界一流企业的重点布局之一。

未来恒神将继续专注于碳纤维产业的发展,坚持创新驱动,不断深化改革,加大人才和资源投入,加快产品和技术创新体系建设,加紧产业体系和产能布局,构建并激发内生发展动力,在致力于在服务国家空天科技、5G装备现代化、重大工程和国民经济建设的过程中,践行责任担当,实现产业报国,实现公司稳健、高质量发展。

中国工程院院士蒋士成在致辞时强调了碳纤维的重要性,“碳纤维是国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料,加快碳纤维行业发展,对推动传统产业转型升级,促进战略性新兴产业发展,满足国家重大战略需求和国民经济建设需要具有重要意义。”

小小的一根纤维,却有着“细如发丝、轻如鸿毛、强如钢铁、难比芯片、贵如黄金”的属性,又牵动着太多人的家国情怀,这也正是很多碳纤维人为之奋斗不息的动力源头。历经半个世纪的洗炼积淀,从碳纤维产业化长期推进缓慢、碳纤维需求严重依赖进口到相继实现多个系列和级别的碳纤维国产化、解决了宇航级碳纤维的自主保障问题、自给率逐步提升等,碳纤维产业终于迎来“高光”发展时期。

蒋士成指出,近年来,在国家、企业、科研院所和行业协会的共同努力下,我国碳纤维行业实现快速发展,目前已形成年产万吨的产业规模,单线产能突破千吨,单个企业销售量超过千吨,涌现出了一批重点生产及应用企业。

对于我国碳纤维产业发展取得的成绩,北京化工大学材料科学与工程学院教授徐樑华总结道,我国已形成碳纤维DMSO、NaSCN、DMAc三大原丝国产化技术体系和产业体系,运行良好;核心技术不断突破;产业化建设有序推进,更为理性,体现在产业化装备自主能力不断加强,纺丝油剂、碳纤维上浆剂、结构性能表征等配套能力进步显著,军民应用同步牵引,工程化、产业化发展势头良好,应用服务意识不断强化,整个技术和产业发展的格局非常健康,截至2020年9月,全国单线产能千吨以上的生产线13条;市场需求牵引强劲,应用领域发展的非常快;我们独有的服务于产业的新技术,可为碳纤维生产工艺过程和产品质量控制进行计量服务。

“从2007年我国碳纤维行业进入了快速发展阶段至今,我们不仅形成了一批具有相当市场竞争力的重点企业,产销量均突破千吨,个别企业还在民用领域已实现盈利,这都表明我国碳纤维行业整体已达到国际先进水平。”蒋士成深感欣慰。

 

初心不改话传承


会上,举行了中国化学纤维工业协会碳纤维分会的换届仪式。中国化学纤维工业协会碳纤维分会于2014年成立,其初心就是希望搭建我国碳纤维产业交流合作平台,能够进一步凝聚行业发展共识,促进国产碳纤维关键技术突破、上下游合作、应用领域拓展,提升我国碳纤维产业核心竞争能力,提高关键材料的自主保障能力。分会成立时制定了《碳纤维分会工作条例》和《工作条例实施细则》,决定在分会实行轮值会长制度。以此为依据至今已产生了三届组织机构,此次江苏恒神股份有限公司总经理钱京当选为新一任轮值会长。同时,分会增加浙江精功碳纤维有限公司为副会长单位,由夏建明副董事长出任副会长;聘任中国复合材料集团有限公司专家张定金和威海光威复合材料股份有限公司首席科学家李书乡为碳纤维分会特聘顾问。

在交接仪式上,第三任轮值会长、吉林化纤董事长宋德武对钱京表示祝贺,并笑言“我们的碳纤维行业正式进入‘80后’时间,体现出行业发展的新特点——有能力、有魄力、有活力。”基于在任期间的工作,他也提出了几点希望:一是企业需提升对产业的认识,树立系统观念;二是产品开发要更加务实,不再片面追求某项性能数据的提升,而是围绕具体需求提供相应性能的产品,设计有针对性的服务方案;三是在立足风电等市场需求的同时,积极开拓下一个碳纤维应用的“风口”,这是碳纤维产业链共同努力的方向;四是行业在建立规模化优势的基础上还需进一步加强先进技术的产业化和产品的优质化升级,以持续满足市场端的需求。

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江苏恒神股份有限公司总经理钱京当选为新一任轮值会长

 

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   中国复合材料集团有限公司专家张定金和威海光威复合材料股份有限公司

首席科学家李书乡为碳纤维分会特聘顾问

 

新任碳纤维分会轮值会长钱京表示,“我会继承我父亲的遗志,把我一生的精力都奉献给碳纤维及复合材料行业,一辈子跟定碳纤维,一心一意做好制造业,希望和各位前辈和同仁一起把中国碳纤维及复合材料行业做的更好,能在世界的舞台上跟国外同行进行比拼。”

面对新形势、新任务、新挑战,端小平呼吁碳纤维行业仍然要响应党和国家的号召,不忘初心,牢记使命,以打造世界一流的碳纤维和复合材料产业为目标,不断突破产业关键技术和装备,为国民经济和国家重大工程建设建功立业。

 

守正笃实开新局


国产碳纤维市场的运行这两年呈现出几大特点。对此,端小平指出:

一是以大丝束为典型代表的风电市场需求快速增长。2019年,我国市场的碳纤维消费总量达到了37000吨,比2018年增长了20%,其中,风电市场的碳纤维用量约为13800吨,较2018年大幅增长97%,国产碳纤维的市场份额进一步提升。今年,国产碳纤维的产量预计有望达到15000吨。

二是在今年疫情背景下,宏观经济和纺织产业经济运行都经历重大考验,但是,我国碳纤维市场却逆势而上。端小平强调:“今年,在疫情背景下,我国碳纤维行业却交出了一份优异的成绩单,对社会经济复苏发挥了重要作用,这就是对抗疫最大的贡献。”

三是碳纤维行业结构进一步调整,以龙头企业为代表,开始布局中西部地区。端小平指出,我国主要碳纤维企业布局中西部已成一种必然,中西部地区已经吸引了中复神鹰、光威复材等龙头企业投资。接下来,中西部将成为大规模化生产碳纤维的重要基地。可以预见,碳纤维企业去中西部地区投资,不仅能获得相对东部地区更低的电价,还能获得更多政策支持。

四是国有资本加大进入国产碳纤维行业的力度,成为目前的一种趋势,双方在优势方面形成互补。但他同时也表示:“如果国有和民营资本之间不能形成互补,也将面临新的考验。

五是产业集中度进一步提高,中复神鹰、光威复材、江苏恒神等龙头碳纤维企业的合计年产量(碳丝),已经接近国产碳纤维年产量的80%,同时,产业技术进步明显,规格和产品结构更加丰富。

“我们要维护好当前来之不易的良好生产经营环境。”端小平在高度肯定国产碳纤维行业当前的向好发展形势的同时,也给行业和企业提出长远发展的六点建议:一是要制定符合我国市场特性和国产碳纤维特点的自主标准体系,但同时,不能过分强调独立。二是要重视原料和辅料的自主保障。特别是大丝束原丝和树脂。三是上下游要紧密合作,不断提高纤维品质,不断开发新产品,不断开拓应用市场,避免对风电市场的过度依赖,进一步缩短与领先国家的差距。四是要理性投资,稳步发展,要避免低水平同质化竞争,企业要深耕细作各自的细分市场,形成良性的互动和竞争,避免出现第二轮产能过热。碳纤维与常规纤维行业不一样,它是有一定的进入门槛的,同时,客户存在很大粘性,所以行业可能会出现“强者恒强”的竞争态势。对于新进入市场者和行业外的资本来说,应该认清碳纤维行业的这一特点,谨慎投资。五是逐步提高回收再利用率,提高再利用力水平,保护环境,践行社会责任。六要在“十四五”规划研究基础上,形成完整的碳纤维产业发展报告,深刻剖析过去十多年碳纤维产业发展的得与失、经验与教训,尽可能科学地预测未来的发展趋势。

对于“十四五”时期碳纤维行业如何发展,徐樑华给出的思路和建议是:在正视碳纤维的难度和风险的前提下,要以国防和国民经济重大需求为导向,以提高自主保障和自主创新能力为目标, 以纤维研制生产和复合材料扩大应用为主线,布局国产碳纤维产业化制造的成套装备与工艺技术、国产碳纤维复合材料扩大应用技术、碳纤维及其复合材料前沿创新技术,并围绕这些思路和布局构建国家级联合创新平台,通过“对标+创新”,提升我国碳纤维产业技术整体水平,扩大碳纤维复合材料应用,同时还要布局前沿创新技术,作为战略技术储备,从而实现国产碳纤维技术与产业的健康持续发展。

 

需求牵引创机遇


2020年在疫情之下,碳纤维产业却迎来了供不应求的景象,在国家面临百年大变局之际,碳纤维产业也面临50年不遇的大变局,又恰逢“十三五”和“十四五”交汇的关键节点,碳纤维关键技术、市场、应用发展现状及趋势如何?国外碳纤维企业的发展对我们有何启发?碳纤维产业链如何有效协同?碳纤维的应用领域的突破口在哪里?“十四五”期间碳纤维行业企业该怎么走?演讲嘉宾围绕这些议题展开深入探讨。

 

结构功能一体化碳基纤维研究进展

纤维材料关乎国计民生,是经济建设和发展的重要基础战略材料。开发功能结构一体化的纤维材料是纤维未来发展的重要方向。碳基纳米材料如石墨烯、碳纳米管等具有优异的光、热、电、力等性能。通过有机/无机杂化策略可以实现对碳纳米材料结构与功能的精准调控,进而与聚合物复合制备结构功能一体化的碳基功能纤维。中国科学院院士朱美芳介绍了结构功能一体化碳基纤维的研究进展,立足于有机/无机杂化材料的技术难题,利用纳米材料的界面设计和原位复合技术,解决了无机纳米材料难分散和功能由微观到宏观的传递问题,建立了纳米杂化材料的功能遗传和传递机制,制备了系列结构功能一体化的碳基功能纤维材料。

当前,包括美国、英国、德国、日本等在内的世界先进国家均积极布局革命性纤维产业,我国也处于化纤强国建设的关键阶段。朱美芳指出,未来纤维材料行业的发展需要注重功能与智能纤维全链条设计与高通量制备,突破功能纤维聚合-纺丝-染整全链条的一体化设计,提升纤维的研发和工程技术水平,为我国的化纤强国建设提供支撑;同时基于材料、电子、信息、机械、生物等学科领域的技术突破与交叉融合,以智能化、超性能、绿色化为特征,研发具有多功能、多结构、多材料特性,可对传统产业集群起到高渗透性、颠覆性、变革性提升效果的新一代纤维。她强调,材料要创新,离不开微观结构的变化;产业要做好,离不开对基础研究的持续投入。纤维材料产业的发展既要仰望天空、怀揣梦想,也要脚踏实地、产学结合、产教融合。

 

恒神HF40(T800级)高强中模碳纤维及其预浸料工程化应用

江苏恒神股份有限公司的碳纤维生产有一大特点,即主要是把自己的碳纤维做成碳纤维复合材料,供给不同的客户,所以恒神在开发碳纤维产品时,也会开发配套相应的树脂体系和不同的工艺,来配合碳纤维复合材料的使用。

基于此,钱京介绍了恒神做中等模量碳纤维及其复合材料的缘由、恒神中模碳纤维及其复合材料研制与工程化历程、HF40B/HF40C中模碳纤维及复合材料的应用情况。他提到,恒神中模碳纤维HF40(T800级)具备湿法纺丝和干喷湿纺生产工艺技术,纤维规格包含6k和12k,目前已开展了多批次的性能验证工作,性能数据离散性小,产品质量稳定;该纤维分别与恒神自主研发的高温高韧性环氧树脂、双马树脂以及改性聚酰亚胺树脂进行匹配,研发了多款应用于航空、航天等领域的预浸料产品体系;其中高温高韧性环氧树脂(EH918)匹配HF40(T800级)碳纤维的预浸料体系EH918/HF40主要应用于民用大型飞机结构部件,该预浸料可同时满足自动铺带及铺丝工艺;此外,恒神开展了CR929后机身压力框、帽型加筋壁板等典型结构部件的试制,其预浸料的复合材料性能和工艺性均满足要求。

钱京认为,跟国外材料相比,我国的纤维材料虽然有着优势和不足,但并不影响工程化验证和批量使用,其关键在于如何设计好和使用好;从现有的研究数据来看,国内的中等模量碳纤维增强复合材料已经具备工程化应用的条件和批产供货能力。HF40(T800级)碳纤维就是个好的例子,截止目前,HF40(T800级)碳纤维已稳定化生产,并为项目及应用市场提供了近300吨HF40(T800级)碳纤维。预计未来每年可为航空、航天等应用领域提供HF40(T800级)的能力为1000吨。

 

《新材料技术成熟度等级划分及定义》标准解读

2018年,工信部发布了《GB/T 37264-2018 新材料技术成熟度等级划分及定义》,将技术成熟度评价方法材料领域进行了细化,新材料领域形成了专用的技术成熟度评价标准。航天材料及工艺研究所研究高级工程师尹雨晨从新材料技术成熟度发展的背景、意义、应用等方面进行了深入解读,指导各单位科学合理的对新材料技术成熟度进行评价。

他表示,今后将主要考虑从六个方面对等级条件进行细化分解,指导制定细则时更为科学合理。标准发布之后,配套领域的一些企业进行了试用、试评价,这些企业也都反映,有了具体细化的等级条件之后,能更为科学合理的形成指导。标准发布之后,除了碳纤维行业,还有钢铁、轻工、纺织等各行各业在这个基础之上形成自己的行业或企业标准,该标准能够有效指导新材料产业从研发到产业化发展的各个阶段,推动新材料技术创新与产品更新换代,为新材料技术评价提供专业的评判标准,也为新材料研制项目实施提供全过程管理工具,有效指引新材料研制-工程化-产业化各阶段的衔接发展。

未来不仅仅是对技术成熟性进行评价,还要建立综合性的技术评价体系,要从技术的先进性、创新点、复杂性、可获得性、可替代性、经济性以及应用前景等多方面、多角度、多维度评价技术的发展程度。

 

关于国外几家碳纤维企业发展的几点分析

中国复合材料集团专家张定金介绍了2019年全球碳纤维市场的产能和市场需求情况及今年以来国际国内市场上几家碳纤维龙头企业的经营情况。今年以来,相比国际知名碳纤维企业经营业绩的普遍下滑,我国碳纤维龙头企业的业绩逆势而上,仍然保持快速增长。今年前三季度,光威复材的营收同比增长22.49%,达到16.03亿元;归属于上市公司股东的净利润同比增长18.06%,达到5.24亿元。

张定金还结合日本碳纤维协会发布的相关报告和日本东丽“AP-G2022中期管理计划”,分析了全球碳纤维市场当前和未来一段时期的发展方向和需求情况。他指出,未来一段时期,碳纤维市场的发展“驱动力”将主要体现在以下四个方面:一是风电,将加速大丝束碳纤维生产设备的建设。“厂家为提高发电效率,风叶长度会增加,为提高模量,降低风叶重量,将会加速用碳纤维材料来替代。尤其值得注意的是,中国是世界上最大的风电市场,目前,中国碳纤维企业正以风电市场为目标,扩大产能。”二是氢能瓶,将以开发新工艺、规模化为目标,满足需求。“预计2021年后,燃料电池车将开始量产,氢气瓶领域对碳纤维的需求将进一步增长;预计2022年,燃料电池车的生产量将超过5万台。”三是燃料电池,它可以用于汽车,在商务汽车、叉车、航天、飞车等领域也会扩大使用。四是民用航空飞机,尤其是针对下一代“梦幻飞机”的材料研发,将给碳纤维和复材带来很大机会。CO减排和基体轻量化的趋势,将增大对碳纤维复材的需求。未来20年,预计飞机用碳纤维的需求量将增加1倍,尤其是单通道飞机的碳纤维用量将增加。“当梦幻飞机实现后,将会给碳纤维带来很大的产业机会。”张定金说。

 

碳纤维复合材料绿色循环再利用产业化实践与思考

南通复源新材料科技有限公司总工程师、上海交通大学化学化工学院副教授杨斌说,做碳纤维回收再利用,是对每一位碳纤维人的致敬。随着国内对复合材料回收再利用越来越重视,再生碳纤维的二次利用已经有商业化应用案例。杨斌畅谈了碳纤维复合材料绿色循环利用产业化实践体会与发展思考,介绍了南通复源的两大业务板块,即回收提取CF和再生CF产品,以及年处理能力1500吨碳纤维裂解回收生产线建设及回收实践;分享了再生处理来自航空航天、体育休闲、汽车、风电、压力容器、电子电器的边角料和报废料等领域碳纤维复合材料生产废弃物的案例,以及开发再生碳纤维产品(无纺毡、短切、粉体)及应用推广现状等。此外,她分享了南通复源牵头制定的3项团体标准以及未来碳纤维循环利用产业发展的挑战等。

 

碳纤维复合材料低成本工业化制备与应用技术的实践与探索

复合材料低成本制造技术是目前国际复合材料技术领域的核心问题之一,包括材料技术低成本、设计技术低成本和制造技术低成本,涉及多种复合材料成型技术,如纤维、编织、缠绕、模压、拉挤、RTM等。常州宏发纵横新材料科技股份有限公司总经理谈昆伦指出,大丝束技术是目前国际市场上公认的碳纤维低成本制造技术之一。比如,日本东丽研发生产的拉伸强度为3530MPa、拉伸模量为230MPa的T300级3K小丝束碳纤维,每公斤的价格为380元。而西格里研发生产的拉伸强度为4000MPa、拉伸模量为240MPa的CT50-4.0/240-E100级50K碳纤维,每公斤的价格为120元。

在材料之外,复合材料的低成本技术还包括二维/三维低成本织造技术、预浸料低成本技术、复合材料低成本成型技术和自动化装备技术等。以预浸料低成本技术为例,谈昆伦介绍,低成本预浸料技术的路线主要包括三个方向。一是大丝束碳纤维(纤维成本低,效率高)展纤技术。二是单向及多轴向大克重预浸。三是树脂体系的开发(固化特性和流动特性优化),包括低温固化体系和满足非热压罐(OOA)工艺要求(真空条件下的固化后低孔隙率)。“不管做什么材料,其实都需要应用牵引,需要对产业链条进行成本控制。企业要从纤维、中间材料(织物/预浸料) 、快速成型工艺、自动化加工量产设备等全产业链方面,努力降低复材制造成本。接下来,针对风电、汽车、轨交、航空航天等不用应用领域的应用需求,企业应该努力找到性能和价格之间的平衡点。”谈昆伦说。

 

碳纤维在风电叶片上的应用及技术进展

随着风电行业的快速发展,风电机组越来越大,叶片长度也越来越长,行业竞争也愈演愈烈,持续降低度电成本成为整个风电上下游企业共同的目标。中材科技风电叶片股份有限公司高级工程师牟书香就风电市场、叶片开发应用碳纤维的技术现状及发展趋势进行了介绍。她指出,中国已发展成为全球最大的风电市场,引领整个风电行业的发展。根据《风能北京宣言》的目标,到2030年,我国风电至少要达到8亿千瓦,年均复合增长率达12%;到2060年,风电至少达到30亿千瓦。风电叶片面临叶片开发大型化、持续降本增效迎来新挑战。

碳纤维具有刚度大、强度高、密度低等优势,是满足大型叶片轻质高强要求的理想材料。与此同时,碳纤维复合材料也面临着制造精度要求高、缺陷检验难度大、碳纤维叶片雷电防护方案成熟度较低等挑战。针对此,牟书香重点介绍了碳纤维织物真空灌注成型、碳玻混合、碳纤维预浸料、碳纤维半预浸料、碳纤维拉挤主梁等领域的技术进展,以及最新的碳纤维叶片检测技术、碳纤维叶片防雷技术和超大型碳纤叶片测试技术。并指出,未来需进一步加强低成本国产碳纤维的批量稳定供应,叶片与碳纤维行业要协同创新,通过智能制造助推碳纤维叶片提质增效。

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会议同期,江苏恒神股份有限公司与远景能源有限公司签订战略合作协议,双方将在风电叶片用低成本大丝束开发、碳纤维拉挤板和售电领域展开深入合作,充分利用各自产业链的资源和技术优势,协同增效,为国家绿色低碳发展贡献一份力量。