世界范圍碳纖維產(chǎn)業(yè)的布局概況
碳纖維的主要生產(chǎn)國家/地區(qū)包括日本、美國、韓國、歐洲部分國家及中國臺灣。技術(shù)先進(jìn)國家在碳纖維技術(shù)發(fā)展初期已經(jīng)意識到該材料的重要性,紛紛進(jìn)行戰(zhàn)略布局,大力推動碳纖維材料研發(fā)。
日本:
日本是碳纖維技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家。日本東麗、東邦和三菱麗陽3家企業(yè)的碳纖維產(chǎn)量約占全球70%~80%的市場份額。盡管如此,日本依然非常重視保持在該領(lǐng)域的優(yōu)勢,尤其是高性能PAN基碳纖維以及能源和環(huán)境友好相關(guān)技術(shù)的研發(fā),并給予人力、經(jīng)費上的大力支持,在包括“能源基本計劃”、“經(jīng)濟(jì)成長戰(zhàn)略大綱”和“京都議定書”等多項基本政策中,均將此作為應(yīng)當(dāng)推進(jìn)的戰(zhàn)略項目。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省基于國家能源和環(huán)境基本政策,提出了“節(jié)省能源技術(shù)研究開發(fā)方案”。在上述政策的支持下,日本碳纖維行業(yè)得以更加有效地集中各方資源,推動碳纖維產(chǎn)業(yè)共性問題的解決。
“革新性新結(jié)構(gòu)材料等技術(shù)開發(fā)”(2013—2022)是在日本“未來開拓研究計劃”下實施的一個項目,以大幅實現(xiàn)運輸工具的輕量化(汽車減重一半)為主要目標(biāo),進(jìn)行必要的革新性結(jié)構(gòu)材料技術(shù)和不同材料的結(jié)合技術(shù)的開發(fā),并最終實現(xiàn)其實際應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)于2014年接手該研究開發(fā)項目后,制定了幾個子項目,其中碳纖維研究項目“革新碳纖維基礎(chǔ)研究開發(fā)”的總體目標(biāo)是:開發(fā)新型碳纖維前體化合物;闡明碳化結(jié)構(gòu)形成機(jī)理;開發(fā)并標(biāo)準(zhǔn)化碳纖維的評估方法。該項目由東京大學(xué)主導(dǎo),產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(NEDO)、東麗、帝人、東邦特耐克絲、三菱麗陽聯(lián)合參與,已在2016年1月取得了重大進(jìn)展,是日本繼1959年發(fā)明“近藤方式”后,在PAN基碳纖維領(lǐng)域的又一重大突破。
美國:
美國國防預(yù)研局(DARPA)在2006年啟動先進(jìn)結(jié)構(gòu)纖維項目,目的是召集全國優(yōu)勢科研力量,開發(fā)以碳纖維為主的下一代結(jié)構(gòu)纖維。在此項目支持下,美國佐治亞理工學(xué)院的研究小組在2015年突破了原絲制備技術(shù),使其彈性模量提升了30%,標(biāo)志著美國具備了第三代碳纖維的研制能力。
2014年,美國能源部(DOE)宣布為“針對非食用生物質(zhì)糖類轉(zhuǎn)化為丙烯腈的多步驟催化過程”、“研究和優(yōu)化多通路生產(chǎn)生物質(zhì)衍生的丙烯腈”兩個項目提供1130萬美元資助,以推進(jìn)用農(nóng)業(yè)殘留物、木本生物質(zhì)等可再生非食物基原料生產(chǎn)具有成本競爭力的可再生高性能碳纖維材料相關(guān)研究,并計劃在2020年以前,將生物質(zhì)可再生碳纖維的生產(chǎn)成本降至5美元/磅以下。
2017年3月,美國能源部再次宣布提供374萬美元資助由美國西部研究所(WRI)領(lǐng)導(dǎo)的“低成本碳纖維組件研發(fā)項目”,主要以煤和生物質(zhì)等資源為原料,開發(fā)低成本的碳纖維部件。
2017年7月,美國能源部宣布資助1940萬美元用于支持先進(jìn)高能效車輛技術(shù)研發(fā),其中670萬美元用于資助利用計算材料工程制備低成本碳纖維,主要包括開發(fā)集成計算機(jī)技術(shù)的多尺度評價方法,用于評估新碳纖維前驅(qū)體的積極性,并利用先進(jìn)分子動力學(xué)輔助的密度泛函理論、機(jī)器學(xué)習(xí)等工具來開發(fā)先進(jìn)計算機(jī)工具,以提高低成本碳纖維原料的遴選效率。
歐洲:
歐洲碳纖維產(chǎn)業(yè)在20世紀(jì)七八十年代緊隨日本和美國發(fā)展起來,但因為技術(shù)以及資本等原因,許多單一生產(chǎn)碳纖維的企業(yè)沒有堅持到2000年后的碳纖維需求高增長期就消失了,德國SGL公司是歐洲唯一一家在世界碳纖維市場上占據(jù)主要份額的公司。
2011年11月,歐盟啟動EUCARBON項目,致力于提升歐洲在工業(yè)用碳纖維和預(yù)浸漬材料方面的制造能力。項目歷時4年,總投入320萬歐元,并于2017年5月成功建立歐洲第一條面向工業(yè)用特種碳纖維生產(chǎn)線,從而使歐洲有望擺脫對該產(chǎn)品的進(jìn)口依賴,確保材料供應(yīng)安全。
歐盟第七框架計劃以608萬歐元支持“利用具有成本效益和可調(diào)控性能的新型前驅(qū)體制備功能化碳纖維”(FIBRALSPEC)項目(2014—2017)。該項目為期4年,由希臘雅典國立技術(shù)大學(xué)主導(dǎo),意大利、英國、烏克蘭等多國公司聯(lián)合參與,主要致力于創(chuàng)新和改進(jìn)連續(xù)性制備聚丙烯腈基碳纖維的流程,實現(xiàn)連續(xù)PAN基碳纖維實驗性生產(chǎn)。該項目已經(jīng)成功完成了從可再生有機(jī)聚合物資源中生產(chǎn)碳纖維以及強(qiáng)化復(fù)合技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用(如超級電容器、快速應(yīng)急避難所,以及納米纖維的原型機(jī)械電動旋涂機(jī)及生產(chǎn)線研制等)。
越來越多的工業(yè)領(lǐng)域(例如汽車、風(fēng)能發(fā)電、造艇業(yè))需要輕量高性能復(fù)合材料,這對碳纖維產(chǎn)業(yè)來說是巨大的潛在市場。歐盟投資596.8萬歐元啟動CARBOPREC項目(2014—2017),其戰(zhàn)略性目標(biāo)是從廣泛存在于歐洲的可再生材料中開發(fā)低成本前驅(qū)體,通過碳納米管增強(qiáng)生產(chǎn)高性能碳纖維。
韓國:
韓國的碳纖維研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化起步較晚,研發(fā)始于2006年,2013年開始正式進(jìn)入實用化階段,扭轉(zhuǎn)了韓國碳纖維全部依賴進(jìn)口的局面。以韓國本土的曉星集團(tuán)和泰光事業(yè)為代表的行業(yè)先鋒積極進(jìn)行碳纖維領(lǐng)域行業(yè)布局,勢頭發(fā)展強(qiáng)勁。此外日本東麗在韓國建立的碳纖維生產(chǎn)基地也對韓國本土的碳纖維市場起到了促進(jìn)作用。
韓國政府選擇將曉星集團(tuán)打造成碳纖維的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聚集地。旨在形成碳纖維材料產(chǎn)業(yè)集群,促進(jìn)全北地區(qū)創(chuàng)意經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展,最終目標(biāo)形成碳纖維材料→零部件→成品一條龍生產(chǎn)鏈,建立可與美國硅谷比肩的碳纖維孵化集群,挖掘新市場,創(chuàng)造新的附加值,到2020年實現(xiàn)碳纖維相關(guān)產(chǎn)品出口額100億美元(折合人民幣約552億元)的目標(biāo)。
國內(nèi):
基于碳纖維材料的國家戰(zhàn)略需求以及國際技術(shù)封鎖的緊迫形勢,我國已將其列為重點支持的新興產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一。在國家“十二五”科技規(guī)劃中,高性能碳纖維的制備和應(yīng)用技術(shù)是國家重點支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)之一。
2015年5月,國務(wù)院正式發(fā)布《中國制造2025》,把新材料作為重點領(lǐng)域之一進(jìn)行大力推動和發(fā)展,其中高性能結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)復(fù)合材料是新材料領(lǐng)域的發(fā)展重點。2015年10月,工信部正式公布了《中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》,將“高性能纖維及其復(fù)合材料”作為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料,2020年的目標(biāo)為“國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料滿足大飛行器等重要裝備的技術(shù)要求”。
2016年11月,國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》,明確指出加強(qiáng)新材料產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作配套,在碳纖維復(fù)合材料等領(lǐng)域開展協(xié)同應(yīng)用試點示范,搭建協(xié)同應(yīng)用平臺。2017年1月,工信部、發(fā)改委、科技部、財政部聯(lián)合制定《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》,提出到2020年,“在碳纖維復(fù)合材料、高品質(zhì)特殊鋼、先進(jìn)輕合金材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)70種以上重點新材料產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用,建成與我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平相匹配的工藝裝備保障體系。”
(本文摘自《全球碳纖維技術(shù)發(fā)展分析及其對我國的啟示》,來源:《新材料科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)》)
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