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，全球碳纖維產業(yè)整整發(fā)展了六十年?！白x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的研發(fā)。主要以日本與英國為主導，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）、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）、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的研發(fā)及應用的開拓。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），這其中包含了當時碳纖維唯一的應用機會——發(fā)動機風扇葉片。英國的碳纖維發(fā)展之路一下子被堵死，英國技術只能到美國發(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，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讓技術。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，風靡世界，終于在航空之外，為碳纖維工業(yè)嬰兒找到了應用乳汁。

      1980年代的特點是工業(yè)化，產品系列化及應用重大突破。單線產能達到千噸/年，東麗公司基本完成了現(xiàn)有絕大部分產品型號，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應用在B757、B767及航天飛機上。英國由于缺乏應用的支撐，已經開始轉讓技術為生，其中包括對北京化工學院及吉林化學公司的兩項技術轉讓，同時期，同樣的技術也賣給了印度、俄羅斯與巴西。美國由于日本、英國的技術相互轉讓，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，這些資產歷經轉手，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、風電、汽車的大應用）。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年卓爾泰克與風電巨頭維斯塔斯（VESTAS）建立合作，將碳纖維用于風電。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用的急劇擴大及產業(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總產能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，寶馬退出碳纖維產業(yè)）；由于拉擠板成功應用于葉片梁帽，風電巨頭維斯塔斯對碳纖維需求空前增長，碳纖維產業(yè)內部，加劇了整合，標志性的事件是2014年底，東麗收購了卓爾泰克。國內產業(yè)大浪淘沙，強者愈強。

       總結世界碳纖維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）；更有歷經風浪、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年中科院長春應用化學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，中科院化學所為了滿足國家國防需要，組建了高分子復合材料物理研究室（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)和長春應化所研究碳纖維。山西燃化所用間接預氧化和碳化做研究，并開展連續(xù)預氧化和碳化試驗。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、結構材料、防熱材料、測試檢驗技術5個“攻關組” ，安排20多家研究和企業(yè)單位參加，如由吉林化學工業(yè)公司研究院、吉林遼源石油化工廠、蘭州化學工業(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、中科院化學所等負責碳化技術研究；另外還安排了織物和材料應用研究。1978年，國家科委恢復，碳纖維轉由科委為主管理，從1975至1981年底，中央各部委共投入到承擔碳纖維原絲、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年代的主格調是引進。1984－1985年，國家科委鼓勵引進國外先進技術，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碳化設備，最終被美國國防部否決。1986，吉林化學工業(yè)公司經過調研、詢價，世界各知名碳纖維公司均囿于“巴黎統(tǒng)籌條約” 限制，不轉讓技術、不出售設備，只有英國RK公司同意出售大絲束預氧化爐和碳化爐，經過談判、考察，最終以450萬美元購買了生產能力為100噸（12K） /年碳化設備及相應測試儀器，按當時匯率折合2,731萬元。1990年經多次試車，預氧化爐尚可，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）批準在北京設置 “碳纖維及其復合材料的開發(fā)應用”項目，由北京化工學院和北京航空材料研究所共同承擔，總經費共250萬美元；北京化工學院經調研，同樣除英國RK公司外，沒有廠家愿意出售，最后由北京化工學院提供工藝參數，委托英國RK公司加工制造一套10噸級（12K）預氧化、碳化中試線，加工費56萬美元。項目歷經磨難，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院還在 “慘淡經營” ，維持小批量供貨，其他研發(fā)單位基本退出了這一領域，吉林化工研究院硝酸一步法到1998年終止生產。

      2000年代的特點是“大干快上”建設碳纖維熱潮。歐美的禁運，導致市場上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。師昌緒先生給江澤民主席寫了 “關于加速開發(fā)高性能碳纖維的請示報告”?！敖k” 將報告批轉到國家計委和科技部等部門，產生較大影響，對以后的經費落實起到了決定性影響。科技部決定設立碳纖維專項，組成了專家小組，由中科院化學所副所長徐堅任組長，北京化工大學徐樑華任副組長。把碳纖維列入863計劃新材料領域，2002年，安徽華皖集團從英國引進AMEC（DR.ROSE)的PAN和CF技術和設備，碳化能力200噸/年。之后我們所有的碳纖維研究機構，如吉林化學（后中石油吉化公司）、北京化工大學、中科院山西煤化所、山東大學、東華大學等一批科技機構，迅速成為工業(yè)技術的轉讓者，整個2000這十年，據不完全統(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合材料產業(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、踏實工作的企業(yè)迎來了春天：光威集團與中簡成功上市，中復神鷹扭虧為盈，吉林化纖成為國內原絲龍頭，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，均摘抄于國內碳纖維復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，復雜技術系統(tǒng)的發(fā)展需要很長的時間，技術需要傳承，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，注重產業(yè)鏈與應用生態(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用；2010年代，我們在反思、在優(yōu)勝劣汰，而國際在收獲大應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、企業(yè)化的水平與世界同期差距甚大，90年代的主格調是“下海經商”，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，實驗室技術簡單放大，直接躍進工業(yè)化，缺少的工程化技術開發(fā)，在企業(yè)的工業(yè)裝置上燒錢來做；技術無特色，落后技術重復建設。這其中，提供技術方盲目自信，對工程與工業(yè)缺乏基本的敬畏，企業(yè)家利用小農經濟（或簡單制造型經濟）獲得的成功經驗用于碳纖維，對復雜產品技術缺乏思想與戰(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)。當然，我們也可以說，這是中國經濟進入工業(yè)文明階段必然要交的學費。

       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，網球拍，啟發(fā)了日本成為當時的碳纖維體育器材的強國，有效地支撐了產業(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用，又幫助碳纖維產業(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讓碳纖維生產技術，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，需要全球高端應用的哺育的產業(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說也受到文革的影響，分別轉戰(zhàn)吉林遼源石油化工廠、中國紡織大學，安徽大學（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，技術引進是政策主格調，但受制于“巴黎統(tǒng)籌條約”限制，只能引進世界三流技術；而同期，以經濟建設為主，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)產業(yè)的發(fā)展。平穩(wěn)的政治經濟的發(fā)展，對特定產業(yè)發(fā)展至關重要。從60年代到今天，我們的碳纖維產業(yè)的主體是在國內打轉，還沒有融入國際高端產業(yè)鏈與生態(tài)圈。近幾年，光威及澳盛的碳梁產品已經進入國際產業(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，練好技術內功，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)及技術發(fā)明、重大應用突破以及產業(yè)政策選為里程碑事件。旨在讓大眾對產業(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，我想這應是當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據，是根據國際上公認的增長率12%這個數據計算而來的，總需求量為103,700噸，這其中，中國的需求數據37，840噸是精準的，占了36.4%。假如國際需求量數字太小，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、模塑混配等經典分市場的穩(wěn)步發(fā)展之外，風電、壓力容器市場增長迅速，這是驅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。這是碳纖維復合材料產業(yè)鏈的復雜性決定的。當絕大部分核心技術被人類掌握之后，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，增長率為12%左右的增長：

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

       風電葉片：風電市場的碳纖維需求強勁，對比2018年增長了16%，主要依賴于風電巨頭VESTAS強勢驅動，其他風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。主要原因是風電市場的對碳纖維數量雖然大，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

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

       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)基礎與成本優(yōu)勢，原絲與腈綸生產實現(xiàn)良好的互動與互補。從碳化角度：必須從技術上解決巨絲束在碳化線的邊際效益問題，比如超長的預氧化時間、低溫爐排廢等問題，這不是一個“靈機一動”的概念，是一個復雜的技術體系。

        有人擔心巨絲束后續(xù)成型工藝，這是思維局限在經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，產業(yè)鏈及應用就會很快開發(fā)出多種多樣的成型工藝。