碳纤维发展史
发布时间：2022-11-18 浏览人数：人
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。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, 因此美国的聚丙烯晴（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RKcarbon，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，韩国、俄罗斯、土耳其、中国台湾等国家和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。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。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R K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。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。之后我国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。碳纤维老前辈中科院化学所原副所长吴人洁先生曾说过：我国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年代我国进入最困难时期时，国际在并购与资源重整；2000年代，我国狂飙猛进时，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，我国在反思、在优胜劣汰，而国际在收获大应用带来的大收益与大发展。如果要讲遗憾，就是2000年代之后，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，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。而我国的60-70年代，最初开始研究碳纤维的李仍元老师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，我们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。我国需要解决“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。
