碳纖維的碳含量高于90%,具有高比剛度和高比強度,特別是高比剛度,其他材料無法比及。此外,碳纖維還耐高溫、耐腐蝕,具有良好的導電導熱性和電磁波屏蔽性,這些優異的性能給碳纖維帶來了廣闊的應用前景。
碳纖維應用領域十分廣泛。概括來講,可將碳纖維的應用領域分為2大類:工業應用和體育休閑。其中,工業應用包括航空航天、風力發電葉片、汽車、油田鉆探、壓力容器、抗震加固等,體育休閑包括釣魚竿、高爾夫球桿、球拍等。應用于工業領域的碳纖維通常要求較高,特別是航空航天用碳纖維,而體育休閑用碳纖維多為低端產品。
國產碳纖維艱難起步,前路漫漫
從研發角度來講,我國的碳纖維起步并不算晚。早在20世紀60年代,中國科學院長春應用化學研究所便率先開始聚丙烯腈基碳纖維的研究,并于70年代初完成了連續化中試裝置。后來,上海合成纖維研究所、中國科學院山西煤炭化學研究所、北京化工大學、山東大學等也開始了相關研究工作。
從產業化而言,我國的碳纖維進展緩慢。雖然我國在20世紀70年代就突破了連續氧化和碳化技術,先后建成了從幾百公斤到幾十噸的生產線,但由于對技術難度估計不足、資金投入不夠、研究欠缺深入等原因,碳纖維的產業化水平與國外存在較大的差距。
進入21世紀,國產碳纖維發展加速,產能大幅提高。2010年時我國碳纖維原絲產能已達12 080t/a,碳纖維產能達7 081t/a。2012年,全國已有30多家企業從事碳纖維的研發和生產,建成產能已經突破了1萬t。然而,國產碳纖維在繁榮的景象背后,存在很多問題,產業發展隱憂重重。
碳纖維產業鏈全景圖
其一,產能利用率極低。雖說國內的建成產能已經突破了10 000t,但實際產量僅為2 000t左右,產能利用率僅在0.2左右,而國際上大多數廠商的產能利用率為0.7~0.9。產能利用率低并不是因為下游市場需求不足,事實上我國每年都需要進口大量的碳纖維產品。
其二,產品質量不過關。難以生產出合格的產品是國內碳纖維產能利用率低的本質原因。生產碳纖維工序復雜,從聚合、紡絲,到氧化、碳化、表面處理等,任何一個環節出了問題都可能影響碳纖維的性能。比如,原絲質量不過關便是國產碳纖維面臨的重要難題,國產原絲雜質含量高、質量穩定性差、變異系數大,沒有好的原料,哪來好的產品?
其三,高端產品有待突破。以占碳纖維產量90%以上的聚丙烯腈基碳纖維為例,在全球范圍內,工業應用和體育休閑的比例分別為75.7%和24.3%;而在中國,這個比例卻分別是20%和80%。同樣是碳纖維,中國的消費結構為何與世界范圍的消費結構形成如此大的反差?不是中國的工業領域不想用碳纖維,而是因為國內使用碳纖維成本太高甚至無高端碳纖維可用。從表1的數據中也可以看出,中國不僅是碳纖維凈進口國,進口產品的單價也幾近于出口產品單價的2倍。
其四,缺乏權威的評價體系。近些年來,經常可以看到國內碳纖維廠家突破技術難關,生產出高端碳纖維產品的新聞報導。但對這樣的報道公眾多持謹慎的懷疑態度,產品真的出來了嗎?產品穩定可靠嗎?得到下游用戶的認可了嗎?面對這些質疑,廠家需要拿出權威的第三方評價報告,自己宣稱不能令人信服。而據筆者所知,國內碳纖維產業尚缺乏完善、權威的評價體系。
其實,國產碳纖維存在的問題遠不止以上4點。在20世紀,國產碳纖維可以說完敗于國外產品,那么21世紀,國產碳纖維艱難起步了,能否實現趕超?
產業發展需政企共同努力
對政府而言,筆者建議可從以下幾個方面入手:
第一,發揮指導作用,避免盲目投資。2013年即將推出的《指導意見》無疑將對國產碳纖維的發展具有重要的指導意義,《指導意見》將在準入門檻、產業布局、污染物排放等多個方面對國產碳纖維進行引導,促進產業的發展。但在具體的執行過程中,落實才是關鍵,這就需要各級主管部門的通力配合。政府還可組織建立碳纖維領域專家委員會,聘請國內著名專家出任顧問,由業內知名專家和骨干企業領導組成委員會,輔助政府作好決策,正確引導行業和社會理性投資。
第二,完善評價體系,增強科技服務能力。盡管國家已經出臺了一些碳纖維的行業指標,但評價體系依然非常薄弱,有些指標的科學性還遭到了質疑。政府需要整合現有資源,建立完善的碳纖維評價體系,既要讓公眾信服,也要方便碳纖維生產企業和下游用戶。在產學研用方面,政府可以創新合作模式,加強碳纖維企業與研發中心、科研機構、高校的合作;搭建碳纖維產業相關領域內互相協作和交流的公共服務平臺,推動開展相關領域共性技術、新技術的研究,在行業內部推廣基礎性、公共性的研發成果。
第三,推進相關產業聯盟,鼓勵上下游加強協作。碳纖維上下游產業關聯度非常緊密,比如要開發一個碳纖維下游的新產品,光靠碳纖維生產商很難完成。政府要充分發揮協調配置能力,支持研發、生產、應用和設備制造等關鍵領域的相關企業和科研機構組建聯盟,在聯盟成員之間形成優勢互補、風險共擔、利益共享、共同發展的合作模式。通過聯盟等行業組織,圍繞下游產業發展重點,構建產、學、研、用多方面協調發展的完整產業鏈,形成從原料到設備、從技術到工藝、從研發到應用、從關鍵設備及配套材料到整條生產線及供應鏈的聯合創新發展模式。
對于企業來講,則需要做出以下努力:
第一,增強自主創新能力。目前一些碳纖維企業“拿來主義”的思想非常嚴重,認為只要投入資金,購買些設備,碳纖維很容易就生產出來了。殊不知碳纖維生產線是系統工程,沒有雄厚的技術支持,很難生產出合格的產品;就算產品出來了,沒什么技術含量的低端產品也不具備市場競爭力。由于核心技術的缺失,中國的碳纖維企業大多處于價值鏈的低端環節。因此,提高自主創新能力,是中國碳纖維企業實現跨越式發展的關鍵。企業應當高度重視研發的投入,同時也要加強知識產權的保護意識。
第二,大力發展循環經濟。生產碳纖維的能耗較高,生產1t碳纖維需耗電3萬~4萬kWh;在聚合、紡絲、碳化等過程中也容易帶來污染。碳纖維生產企業要改變高投入、高消耗、高污染、低效益的傳統路子,走循環經濟之路。牢固樹立循環經濟、綠色制造的觀念,把生態環境意識貫穿于產品設計、制造、廢棄回收、循環利用的全過程,走資源利用率高、能源消耗低、環境污染輕的發展道路。
第三,注重人才培養與激勵。人才是碳纖維企業最寶貴的資源之一,然而國產碳纖維剛剛起步,相關人才較為缺乏,企業光靠“挖人”難以為繼。因此,碳纖維生產企業需要考慮培養自己的人才,可采用獎學金、提供實習機會等方式加大與相關院校的合作力度,然后將畢業生招入企業進行長期培養,并建立健全的薪酬激勵制度,留住人才、愛惜人才、培養人才、激勵人才。
圖片來源:找項目網