前言

       1.1 世界碳纖維發(fā)展簡史

      1959年日本大阪工業(yè)試驗所（Osaka Technical Research Institute）的近藤昭男博士（Dr.Akio Shindo）發(fā)明了PAN基碳纖維制備技術(shù)，全球碳纖維產(chǎn)業(yè)整整發(fā)展了六十年。“讀史明智，鑒往知來”，讓我們一起來回顧歷史。

      1960年代的特點是實驗室技術(shù)的研發(fā)。主要以日本與英國為主導(dǎo)，日本主要有大阪工業(yè)試驗所、東海碳素公司（Tokai Electrode Mfg. Co.,Ltd.）和日本碳素公司Nippon Carbon co., Ltd.)（他們最早從近藤先生處獲得專利授權(quán)）、東麗（1961開始研究，之后繼承了東海碳素與日本碳素的近十年的研究成果，并在1970獲得近藤的專利授權(quán)）、三菱、東邦等。英國主要有皇家航空研究所（RAE）、皇家原子能公司(AERA)、考陶爾茲(Courtaulds)，羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce)等；盡管杜邦公司在1942年就推出了腈綸商品，美國人還在與黏膠基較勁，其中美國聯(lián)碳公司（UCC）公司是代表, 因此美國的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維發(fā)展晚于英國與日本。

        1970年代的特點是工程化技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用的開拓。工程化能力實現(xiàn)了150噸/年，期間，英國、美國、日本技術(shù)合作頻繁。60年代末，英國羅爾斯-羅伊斯的太超前的發(fā)動機項目RB-211遇到重挫（后期基于這款發(fā)動機形成了著名的瑞達系列），這其中包含了當(dāng)時碳纖維唯一的應(yīng)用機會——發(fā)動機風(fēng)扇葉片。英國的碳纖維發(fā)展之路一下子被堵死，英國技術(shù)只能到美國發(fā)展。1972年，美國赫拉克勒斯（Hercules）獲得英國皇家航空研究所碳化技術(shù)，原絲采用考陶爾茲。日本東麗、東邦、三菱也紛紛與美國相互轉(zhuǎn)讓技術(shù)。美國與日本在1972年分別用碳纖維制造了高爾夫球桿與釣魚竿，風(fēng)靡世界，終于在航空之外，為碳纖維工業(yè)嬰兒找到了應(yīng)用乳汁。

      1980年代的特點是工業(yè)化，產(chǎn)品系列化及應(yīng)用重大突破。單線產(chǎn)能達到千噸/年，東麗公司基本完成了現(xiàn)有絕大部分產(chǎn)品型號，初期的T300，中期的T800、T1000，末期的M60J。1980年波音公司提出了商用飛機對碳纖維的要求，1982開始采用T300應(yīng)用在B757、B767及航天飛機上。英國由于缺乏應(yīng)用的支撐，已經(jīng)開始轉(zhuǎn)讓技術(shù)為生，其中包括對北京化工學(xué)院及吉林化學(xué)公司的兩項技術(shù)轉(zhuǎn)讓，同時期，同樣的技術(shù)也賣給了印度、俄羅斯與巴西。美國由于日本、英國的技術(shù)相互轉(zhuǎn)讓，誕生了一個開拓工業(yè)碳纖維的廠家，卓爾泰克（ZOLTEK），臺灣臺塑與美國Hitco公司進行技術(shù)合作，開始了中華民族第一個碳纖維工業(yè)化時代。

      1990年代的特點是并購及爭搶市場份額。美國航空材料廠赫氏（Hexcel）并購了美國赫拉克勒斯的碳纖維產(chǎn)業(yè)。美國石油巨頭阿莫科（AMOCO）整合了大部分美國的碳纖維資源，不光包括美國聯(lián)碳公司（歷史上唯一一家擁有黏膠+瀝青+聚丙烯腈基碳纖維），還有東邦與美國塞蘭尼斯（Celanese）公司合作的碳纖維資產(chǎn)，這些資產(chǎn)歷經(jīng)轉(zhuǎn)手，在2001年成為了氰特（CYTEC）；德國石墨巨頭西格里（SGL）在1997年收購了英國考陶爾茲留下的RK carbon，至此，碳纖維的拓荒牛英國考陶爾茲退出歷史舞臺（后期被中國藍星收購活躍了兩年）。

      2000年代的特點是世界很平靜（暗中準備航空航天、風(fēng)電、汽車的大應(yīng)用）。世界上發(fā)生幾起延續(xù)90年代的并購事件，除了氰特，西格里從高爾夫球桿廠阿爾笛拉（ALDILA）收購了合資碳纖維的股份，東邦收購了美國福塔菲爾（Fortafil）碳纖維，立足美國。2007年卓爾泰克與風(fēng)電巨頭維斯塔斯（VESTAS）建立合作，將碳纖維用于風(fēng)電。中國開啟了狂飆猛進的碳纖維投資熱潮，除了中國大陸，韓國、俄羅斯、土耳其、臺灣等地區(qū)也有不少新進入者，其中依然生存的有韓國曉星，土耳其DOWAKSA。

       2010年代的主要特點是應(yīng)用的急劇擴大及產(chǎn)業(yè)進一步整合。首先是號稱碳飛機的B787 與A350分別在2011年和2014年完成首架交付，航空航天級碳纖維需求迅猛增加。2010年，寶馬與西格里合資在美國建設(shè)總產(chǎn)能9,000噸/年的碳纖維工廠，試圖將電動汽車徹底輕量化并控制材料源頭。（2017年8月，西格里確認收購寶馬在汽車碳纖維合資企業(yè)的股份，寶馬退出碳纖維產(chǎn)業(yè)）；由于拉擠板成功應(yīng)用于葉片梁帽，風(fēng)電巨頭維斯塔斯對碳纖維需求空前增長，碳纖維產(chǎn)業(yè)內(nèi)部，加劇了整合，標志性的事件是2014年底，東麗收購了卓爾泰克。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)大浪淘沙，強者愈強。

       總結(jié)世界碳纖維60年的發(fā)展歷史：既有近藤昭男、威廉姆·瓦特等依然閃耀的科學(xué)大師；也有在其中沉沙折戟的眾多著名公司，如日本東海、日本碳素、旭化成；英國皇家原子能公司、考陶爾茲、羅爾斯-羅伊斯,BP公司；美國聯(lián)碳、阿莫科、塞蘭尼斯，德國巴斯夫（BASF）；更有歷經(jīng)風(fēng)浪、依然傲立潮頭的如東麗、東邦、三菱等公司。

 1.2.中國碳纖維發(fā)展簡史

       我們對中國碳纖維歷史做個簡單介紹，對比世界碳纖維的60年發(fā)展，我們是57年歷史。

      1960年代研究起步：最早是1962年中科院長春應(yīng)用化學(xué)所成立以李仍元先生為組長的“聚丙烯腈基碳纖維的研制”課題組，開展基礎(chǔ)研究，同期還有沈陽金屬研究所張名大先生。

      1970年代的特點是舉國體制。1970年代初，中科院化學(xué)所為了滿足國家國防需要，組建了高分子復(fù)合材料物理研究室（九室，主任：吳人潔），重點研究“碳纖維連續(xù)化制備”和“縮短碳纖維制備周期研究”并取得“四氯化錫”催化等成果；上海合成纖維研究所于1970年代初，開展硫氰酸鈉法丙烯腈原絲研究；1972年，化工部吉林化工研究院開展硝酸法研制碳纖維PAN原絲，并在年產(chǎn)3噸裝置上取得硝酸一步法制取原絲，供山西燃化所(今煤化所)和長春應(yīng)化所研究碳纖維。山西燃化所用間接預(yù)氧化和碳化做研究，并開展連續(xù)預(yù)氧化和碳化試驗。1975年上海合纖所提供給冶金部上海碳素廠2噸原絲研制碳纖維。1975年，11月13~24日在北京，由當(dāng)時的國防科委主任張愛萍親自主持召開了一次專題會議，部署國內(nèi)碳纖維研究工作，由國家計委安排500萬元資金做啟動費，制定了10年發(fā)展規(guī)劃，組織了原絲、碳化、結(jié)構(gòu)材料、防熱材料、測試檢驗技術(shù)5個“攻關(guān)組” ，安排20多家研究和企業(yè)單位參加，如由吉林化學(xué)工業(yè)公司研究院、吉林遼源石油化工廠、蘭州化學(xué)工業(yè)公司化纖廠、上海合成纖維研究所采用不同溶劑路線研發(fā)聚丙烯腈（PAN）原絲；上海合成纖維研究所、吉林、上海、蘭州、撫順4家碳素廠、山西煤化所、中科院化學(xué)所等負責(zé)碳化技術(shù)研究；另外還安排了織物和材料應(yīng)用研究。1978年，國家科委恢復(fù)，碳纖維轉(zhuǎn)由科委為主管理，從1975至1981年底，中央各部委共投入到承擔(dān)碳纖維原絲、碳纖維制品等的民用研制的資金約2,600多萬元，共建設(shè)廠房、試驗室20,000多平方米。建成PAN原絲試制動力約50噸/年，碳纖維長絲的試制能力1.5～2.0噸/年。

      1980年代的主格調(diào)是引進。1984－1985年，國家科委鼓勵引進國外先進技術(shù)，承諾將給予資金支持。1984年，冶金部支持上海碳素廠試圖引進美國Hitco碳化設(shè)備，最終被美國國防部否決。1986，吉林化學(xué)工業(yè)公司經(jīng)過調(diào)研、詢價，世界各知名碳纖維公司均囿于“巴黎統(tǒng)籌條約” 限制，不轉(zhuǎn)讓技術(shù)、不出售設(shè)備，只有英國RK公司同意出售大絲束預(yù)氧化爐和碳化爐，經(jīng)過談判、考察，最終以450萬美元購買了生產(chǎn)能力為100噸（12K） /年碳化設(shè)備及相應(yīng)測試儀器，按當(dāng)時匯率折合2,731萬元。1990年經(jīng)多次試車，預(yù)氧化爐尚可，碳化爐始終開不起來。聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）和聯(lián)合國工發(fā)組織（UNIDO）批準在北京設(shè)置 “碳纖維及其復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用”項目，由北京化工學(xué)院和北京航空材料研究所共同承擔(dān)，總經(jīng)費共250萬美元；北京化工學(xué)院經(jīng)調(diào)研，同樣除英國RK公司外，沒有廠家愿意出售，最后由北京化工學(xué)院提供工藝參數(shù)，委托英國RK公司加工制造一套10噸級（12K）預(yù)氧化、碳化中試線，加工費56萬美元。項目歷經(jīng)磨難，幾次因“可能有用于軍事”而險些遭到封殺，原定3年完成的項目拖了7年，1993年6月才勉強“驗收”，之后運行效率不高。

       1990年代的特點是停滯。只有吉化公司、吉林碳素廠和北京化工學(xué)院還在 “慘淡經(jīng)營” ，維持小批量供貨，其他研發(fā)單位基本退出了這一領(lǐng)域，吉林化工研究院硝酸一步法到1998年終止生產(chǎn)。

      2000年代的特點是“大干快上”建設(shè)碳纖維熱潮。歐美的禁運，導(dǎo)致市場上T300-3K的價格漲到8000元/公斤且有價無市，嚴重影響軍機的生產(chǎn)。師昌緒先生給江澤民主席寫了 “關(guān)于加速開發(fā)高性能碳纖維的請示報告”?！敖k” 將報告批轉(zhuǎn)到國家計委和科技部等部門，產(chǎn)生較大影響，對以后的經(jīng)費落實起到了決定性影響?？萍疾繘Q定設(shè)立碳纖維專項，組成了專家小組，由中科院化學(xué)所副所長徐堅任組長，北京化工大學(xué)徐樑華任副組長。把碳纖維列入863計劃新材料領(lǐng)域，2002年，安徽華皖集團從英國引進AMEC（DR.ROSE)的PAN和CF技術(shù)和設(shè)備，碳化能力200噸/年。之后我們所有的碳纖維研究機構(gòu)，如吉林化學(xué)（后中石油吉化公司）、北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所、山東大學(xué)、東華大學(xué)等一批科技機構(gòu)，迅速成為工業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)讓者，整個2000這十年，據(jù)不完全統(tǒng)計，上碳纖維項目的超過40家，投資規(guī)模超過300億元人民幣，全世界的設(shè)備制造廠迎來了中國盛宴。

      2010年代的特點是反思“狂飆猛進”和“優(yōu)勝劣汰”。2012年，筆者與申屠年先生合作發(fā)表了《對中國碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展現(xiàn)狀的反思》，同年的香山會議上做報告，得到行業(yè)及政府主管部門的廣泛認同與共鳴。從產(chǎn)業(yè)角度，燒錢開始讓人心慌與絕望，出現(xiàn)了很多“爛尾樓”與“僵尸企業(yè)”。同時，認真積累技術(shù)、踏實工作的企業(yè)迎來了春天：光威集團與中簡成功上市，中復(fù)神鷹扭虧為盈，吉林化纖成為國內(nèi)原絲龍頭，中石化上海石化大展宏圖。整個中國碳纖維企業(yè)從高峰時超過40家變成今天的十余家企業(yè)，市場的優(yōu)勝劣汰的力量是巨大的。

       上述的中國歷史素材，均摘抄于國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料專家如李克健、羅益峰、陳紹杰、徐堅等老師的文章，在此一并致謝！我們呼吁同行重視歷史的記錄，復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展需要很長的時間，技術(shù)需要傳承，文化與歷史也需要。人人均可成為歷史的記錄者，我們賽奧碳纖維愿意為全國同行提供協(xié)助與支持，發(fā)表、整理與保存這些歷史資料。

       總結(jié)成功公司的特點：用30年時間踏實完成實驗線-工程線-工業(yè)化的道路，注重產(chǎn)業(yè)鏈與應(yīng)用生態(tài)的開發(fā)。

 1.3.國外與中國發(fā)展史的比較

       對比世界與中國的60年，我們能得到什么呢？總體印象，如同碳纖維老前輩中科院化學(xué)所原副所長吳人潔先生曾說過：我們就像一個剛醒來的人，打哈欠，伸懶腰，總也起不來床。這種“起不來床”的感覺，至今猶存。70年代的舉國體制模式旨在解決軍品問題時，國際上主流是在做工程化；80年代的引進模式時，國際上在做工業(yè)化與商業(yè)化；90年代我們進入最困難時期時，國際在并購與資源重整；2000年代，我們狂飆猛進時，國際巨頭貌似平靜，實則準備碳飛機、碳汽車及碳葉片的巨大應(yīng)用；2010年代，我們在反思、在優(yōu)勝劣汰，而國際在收獲大應(yīng)用帶來的大收益與大發(fā)展。對照歷史之下，其實我并未太遺憾，畢竟我們60、70、80年代的工業(yè)技術(shù)、企業(yè)化的水平與世界同期差距甚大，90年代的主格調(diào)是“下海經(jīng)商”，肉吃得容易，誰還會去啃“硬骨頭”？

       如果要講遺憾，就是2000年代后，實驗室技術(shù)簡單放大，直接躍進工業(yè)化，缺少的工程化技術(shù)開發(fā)，在企業(yè)的工業(yè)裝置上燒錢來做；技術(shù)無特色，落后技術(shù)重復(fù)建設(shè)。這其中，提供技術(shù)方盲目自信，對工程與工業(yè)缺乏基本的敬畏，企業(yè)家利用小農(nóng)經(jīng)濟（或簡單制造型經(jīng)濟）獲得的成功經(jīng)驗用于碳纖維，對復(fù)雜產(chǎn)品技術(shù)缺乏思想與戰(zhàn)略；社會對高科技招牌行騙缺乏辨別能力，尤其地方政府主導(dǎo)的項目多次被騙，浪費了大量的社會資源。這充分反映了整個社會“好大喜功，急功近利”的心態(tài)。當(dāng)然，我們也可以說，這是中國經(jīng)濟進入工業(yè)文明階段必然要交的學(xué)費。

       從社會的層面，國際上，二戰(zhàn)之后，大家均在大力發(fā)展科技強國，產(chǎn)業(yè)的社會環(huán)境相對穩(wěn)定，英美日本之間的國際合作非常頻繁，70年代，美國人創(chuàng)造的碳纖維高爾夫球桿，網(wǎng)球拍，啟發(fā)了日本成為當(dāng)時的碳纖維體育器材的強國，有效地支撐了產(chǎn)業(yè)的嬰兒成長期；80年代，美國波音公司掀起了航空碳纖維的應(yīng)用，又幫助碳纖維產(chǎn)業(yè)順利完成了兒童期；同期，日本所有碳纖維企業(yè)均與美國公司相互轉(zhuǎn)讓碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，幫助了美國碳纖維的成長。這說明，一個先進的材料的誕生與成長，需要全球高端應(yīng)用的哺育的產(chǎn)業(yè)鏈與生態(tài)。

       而我們的60-70年代，政治運動頻繁，最初開始研究碳纖維的李仍元老師據(jù)說也受到文革的影響，分別轉(zhuǎn)戰(zhàn)吉林遼源石油化工廠、中國紡織大學(xué)，安徽大學(xué)（80年代）堅持碳纖維研究；張愛萍將軍主持的7511會議及之后的全國碳纖維大會戰(zhàn)，算是一個亮點與高峰。改革開放的80、90年代，技術(shù)引進是政策主格調(diào)，但受制于“巴黎統(tǒng)籌條約”限制，只能引進世界三流技術(shù)；而同期，以經(jīng)濟建設(shè)為主，軍工企業(yè)一片蕭條，沒有60-70年代重視軍工的政策環(huán)境，嚴重缺乏應(yīng)用動力。90年代末到2000年代，以臺資為代表的碳纖維體育器材進入大陸地區(qū)，大陸的體育器材中玻璃纖維向碳纖維轉(zhuǎn)移，這形成了新的發(fā)展動力。2005年后，軍工企業(yè)逐步得到重視，對碳纖維的需求開始觸發(fā)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。平穩(wěn)的政治經(jīng)濟的發(fā)展，對特定產(chǎn)業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。從60年代到今天，我們的碳纖維產(chǎn)業(yè)的主體是在國內(nèi)打轉(zhuǎn)，還沒有融入國際高端產(chǎn)業(yè)鏈與生態(tài)圈。近幾年，光威及澳盛的碳梁產(chǎn)品已經(jīng)進入國際產(chǎn)業(yè)鏈，這是個非常欣慰的進步！

       全球化的今天，嚴格意義的“自主創(chuàng)新”是不客觀與不現(xiàn)實的，更多地是在人類成果基礎(chǔ)上的集成創(chuàng)新或再創(chuàng)新。我們需要解決“短板”與“卡脖子”難題，練好技術(shù)內(nèi)功，目的不是自給自足、自我封閉、與世界為敵。用更強的能力融入世界高端產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)，是碳纖維企業(yè)發(fā)展壯大的必然之路。

1.4.全球碳纖維歷史里程碑

       下一頁，我們對碳纖維發(fā)展中的發(fā)現(xiàn)及技術(shù)發(fā)明、重大應(yīng)用突破以及產(chǎn)業(yè)政策選為里程碑事件。旨在讓大眾對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建立清晰的歷史觀。偉大有多個標準，其中之一是為世界工業(yè)文明做出里程碑意義的重大貢獻，我想這應(yīng)是當(dāng)代中國碳纖維同仁的奮斗目標之一。

2.全球碳纖維市場

2.1. 全球碳纖維市場需求-年份

       2019年的全球碳纖維需求數(shù)據(jù)，是根據(jù)國際上公認的增長率12%這個數(shù)據(jù)計算而來的，總需求量為103,700噸，這其中，中國的需求數(shù)據(jù)37，840噸是精準的，占了36.4%。假如國際需求量數(shù)字太小，中國的占比就會更大，這顯然有悖于常識。畢竟我們很清楚，歐美日本是碳纖維需求的大國。

      2019年的全球市場，除了如航空航天、體育器材、汽車、建筑補強、模塑混配等經(jīng)典分市場的穩(wěn)步發(fā)展之外，風(fēng)電、壓力容器市場增長迅速，這是驅(qū)動整個市場的重要引擎。另外，各大碳纖維公司均看好單通道飛機平臺大量采用碳纖維的前景。這些均為市場注入了強大的活力。

      2019年，全球碳纖維經(jīng)歷了60年的努力，把碳纖維的需求第一次做到10萬噸以上。這是碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的復(fù)雜性決定的。當(dāng)絕大部分核心技術(shù)被人類掌握之后，下一個10萬噸的增長，時間會急劇縮短，我們預(yù)測2025年就會進入20萬噸，2030年會進入40-50萬噸。

2.2. 全球碳纖維市場需求-應(yīng)用（千噸）

總量：103,700噸

       總體來講，絕大部分分市場，均是基于2018年基礎(chǔ)，增長率為12%左右的增長：

       航空航天（包含軍工）：2019的數(shù)據(jù)比去年增加12%，主要是波音787及空客350的產(chǎn)能的增加。

       風(fēng)電葉片：風(fēng)電市場的碳纖維需求強勁，對比2018年增長了16%，主要依賴于風(fēng)電巨頭VESTAS強勢驅(qū)動，其他風(fēng)電廠家對需求的牽引還不明顯。

       體育休閑：每年按照4-5%的中速穩(wěn)定增長。

2.3. 全球碳纖維市場需求-應(yīng)用（美元）

總量：2,870百萬美元

       全球碳纖維的銷售金額為28.7億美元，比2018年25.71億美元增長了11.6%，銷售金額的增長并未與銷售額的增長完全對應(yīng)。主要原因是風(fēng)電市場的對碳纖維數(shù)量雖然大，但由于單價較低，對總體金額貢獻不顯著。

2.4. 全球碳纖維市場需求-產(chǎn)品（千噸）

總量：103,700噸

       模量的定義：
       標準模量是指拉伸模量為230-265GPa
       中等模量是指拉伸模量為270-315GPa
       高模量是指拉伸模量超過315GPa

       小絲束Small Tow（或常規(guī)絲束Regular Tow）1-24K（含）
       大絲束Heavy Tow：大于等于48K
       巨絲束Giant Tow：大于100K

       巨絲束并非新產(chǎn)品，這是目前腈綸的標準狀態(tài)，另外，也是國際主流預(yù)氧絲的主要原料，更是諸多功能性碳纖維材料的首選，比如碳紙、碳氈、碳碳復(fù)合材料的預(yù)制體等。

       巨絲束能否加入大絲束市場的競爭？這是完全可能的，從原絲角度，它可以借助腈綸行業(yè)近百年積累的工業(yè)基礎(chǔ)與成本優(yōu)勢，原絲與腈綸生產(chǎn)實現(xiàn)良好的互動與互補。從碳化角度：必須從技術(shù)上解決巨絲束在碳化線的邊際效益問題，比如超長的預(yù)氧化時間、低溫爐排廢等問題，這不是一個“靈機一動”的概念，是一個復(fù)雜的技術(shù)體系。

        有人擔(dān)心巨絲束后續(xù)成型工藝，這是思維局限在經(jīng)典的小絲束成型工藝之中了。只要有高性價比的巨絲束碳纖維批量供應(yīng)，產(chǎn)業(yè)鏈及應(yīng)用就會很快開發(fā)出多種多樣的成型工藝。