碳纖維是一種含碳量在百分之九十以上的特種纖維,具有高強度、耐高溫的特性,碳纖維的彈性很好,這意味著它在產生和金屬相同形變時能夠抵抗更大的外力,而且碳纖維還是耐高溫的化纖材料,具有耐摩擦、導電性強、導熱性好、耐腐蝕等性能。
碳纖維第一次發現在1879年由發明大王愛迪生發現,但被大規模使用是在上世紀五十年代,當時航天事業蒸蒸日上,急需一種高強度、耐高溫的材料,科研人員在不斷試驗,最終將目光放在了碳纖維上,隨著時代的進步,科技的人類對碳纖維也在不斷的打磨和探索,讓碳纖維開始逐步進入大多數人的生活當中。
碳纖維性能優異、用途廣泛,自然是我國的重點研究和突破的對象,但是整體來看,我國在碳纖維的應用落后西方,碳纖維在中國的發展經歷了大致三個時期。第一個時期是二十世紀六十年代中期起步階段,我國從1965年左右開始驗證碳基碳纖維,比國際晚了約十五年。
1974年,中科院設計建立了碳纖維生產線,這是我國第一條自主研發的碳纖維生產線,1976年生產線建成,生產的碳纖維拉伸強度為2.8GPa,一般的鋼筋強度只有235MPa,強了十倍不止。經過評估和驗收,這條生產線在全國科技大會獲獎,我國碳纖維的研究、生產雖然起步較晚,但整體并不落后。
但是到了第二個時期,也是在上世紀七十年代后,雖然我們自主研發了一條生產線,但是內部環境導致碳纖維生產線研發受阻,也導致國內的碳纖維生產水平與國際領先水平差距越來越大,面對此舉,我國雖然組織了數十個科研單位,組成了五個專業的研究小組,兵分五路展開科研攻關,但是整體效果不佳。
八十年代中期,我國也嘗試引進技術,但由于國外對我們的技術封鎖,引進的技術工藝較落后,而且價格不菲,技術演進之路沒有走通自主研發的原子質量和批量生產上徘徊不前。同一時期,國際上對于高性能碳纖維的研發和大批量工業化生產方面均取得突破,導致我國在技術上的差距被越拉越大。
第三個時期是2000年后,我國加入世貿組織以后,經濟快速發展,推動我國碳纖維產業和技術駛入了快車道,快速追趕國際先進水平,我國碳纖維之父師昌緒先生也大力推動國內碳纖維產業發展,一定程度上加快了我國碳纖維的研發和創新。
經過十幾年的追趕,我國實現了產能的攀升,碳纖維行業百花齊放,但此時我國碳纖維行業快速發展的同時也遇到了瓶頸,也是我們老生常談的一個問題,大而不強。首先國內的碳纖維大部分是小絲束的,小絲束的優點是質量穩定,但產能不高,目前單條產線的產能只有百噸級,這也是阻礙碳纖維產品產能進一步突破的阻礙之一。
其次是我國的碳纖維產品較為低端、競爭力不足,銷量、產能比較低,國內銷量、產能比為百分之二十八點四六,而國際數據為百分之六十三點四零,這意味著我國碳纖維的相關產品的競爭力不強,大量生產線空置,因為產能無法充分利用,產品利潤就少,難以覆蓋前期生產線的建設成本,增加了企業的運營成本。
最后是碳纖維產業鏈集群的不足,獨木難支、眾木成林,很多企業很難承受國際產業鏈的價格波動,這個波動可能是商品自然周期導致的,也可能是外國企業人為的利用產業鏈優勢進行價格封殺。所以我們需要碳纖維全產業鏈上都在中國扎根,只有這樣面對價格波動,我們才能第一時間去調整生產結構,將市場波動帶來的傷害降到最小。
中國碳纖維產業的未來又在哪里?我國最大的底氣來自于市場。去年八月底,日本限制碳纖維材料對華銷售,原本由日本占據的市場份額很大一部分會要到國內企業手中,這種行為在短期內的確會限制我們下游產品的生產,回游的市場份額,也為上游碳纖維材料生產企業打了一針興奮劑,除了回流的市場份額,還有本身暴漲的市場需求。
2020年我國的總需求為4.9萬噸,相比前年的3.8萬噸增長了近百分之三十,國內的碳纖維材料市場變成了賣方主導,材料價格一路上漲的同時,買方也需要找關系才能拿到貨,碳材料生產企業的利潤大幅增長,這些利潤給過慣了苦日子的中國企業有了些積蓄,不甘現狀的部分企業也拿出更多的研發資金投入技術和產品,加快了行業的技術突破和產能提升。
第二是下游產業需求的推動,比如風力發電產業不僅需要大量的碳纖維復合材料,需求還在快速增長,風力發電產業主要將碳纖維材料用在了風力發電葉片上,葉片一定要用碳纖維材料。國內的風力發電葉片一般是三葉的,葉片長而薄,這要求了葉片材料的密度要小,盡可能地把風能轉化為動能,小一些的風也能將葉片吹動,減少摩擦損失。
自從去年提出碳達峰和碳中和戰略后,我國對于清潔能源的需求猛增,風力發電處在快速增長期,大量的風力發電站拔地而起,帶動了碳纖維材料需求的大幅增長。除此之外,人們對體育鍛煉也更加重視,隨之體育用品的碳纖維需求也在增加。
今年我國高端自行車供不應求,我國還是最大的汽車市場,這幾年碳纖維的汽車上的應用越來越廣泛,甚至未來可能作為承重材料代替金屬,這些下游產業的增長帶動碳纖維材料的需求和多樣化發展。不過碳纖維的上游產品、高端環氧樹脂是碳纖維的高端產品,是阻礙我國發展的重要因素。
高端環氧樹脂的生產設備也是在被國外壟斷的行列之中,但相信未來我國對于高端環氧樹脂的突破也是必然,因為我國碳纖維產業的發展動力十足、前景廣闊,在未來有望解決我國現有的一些困局。
隨著碳中和的開啟,對于我國豐富的煤炭資源也可以加以利用,用煤炭制造碳纖維,既不產生大量的溫室氣體,又能讓我們國家的化石資源得到充沛利用。目前我國已經開啟了轟轟烈烈的制造業升級計劃,在碳纖維這種高性價比的產業,我們正在加大科研投入,形成自主知識產權。
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