常州碳纤维及复合材料产业关键技术突破路径研究.pdf

摘要：碳纤维因具有高强、高模、质轻的优异性能，在带动传统制造业转型升级、培育新兴产业增长点等方面的作用日益凸显。常州作为国内最早布局碳纤维产业的地区之一，在高性能纤维研发制造、纤维用树脂研发、复材制造装备和工艺应用等方面，形成良好的发展态势。但与先进地区相比，常州碳纤维及复合材料产业仍存在价值链低端锁定的风险、某些关键核心技术受制于人、先进制造业成本偏高等短板。文章基于碳纤维及复合产业链关键技术节点和全球碳纤维产业现状，对常州碳纤维及复合材料产业布局及其技术水平进行实证分析，梳理出亟需突破的关键技术，并探讨构建多方合作的合力攻关长效机制，为常州碳纤维及复合材料产业高质量发展规划和宏观决策提供借鉴。关键词：碳纤维及复合材料；关键技术；突破路径；协同创新中图分类号：F062.9文献标识码：A文章编号：1674-0688（2023）08-0013-04科技对策与研究周伶俐.常州碳纤维及复合材料产业关键技术突破路径研究0引言以碳纤维、石墨烯为代表的新型碳材料是新材料领域皇冠上的明珠，是我国制造业高端化突破不可或缺的关键材料，被视为未来高技术产业竞争的战略制高点。该产业链是江苏省重点培育的优势产业链。常州作为江苏省碳材料发展的重点区域，于2022年以“常州市新型碳材料产业集群”入选国家先进制造业集群。经过多年发展，常州碳纤维及复合材料产业整体规模和技术水平取得较大进步，但与世界先进地区的碳纤维产业竞争力相比，仍存在价值链低端锁定的风险、某些关键核心技术受制于人、先进制造业成本偏高等短板，其中部分短板也是行业共性难题1-2。目前，业内学者或企业研究人员主要围绕大丝束碳纤维国产替代3、高性能碳纤维及复合材料低成本开发4、碳纤维复材专用环氧树脂开发5、新型碳纤维复材典型成型工艺6-7、碳纤维复材在汽车轻量化应用8-9等碳纤维及复合材料产业链部分关键节点或应用场景的“卡脖子”技术开展研究。本文拟对照碳纤维及复合产业链关键技术节点和全球碳纤维产业现状，对常州碳纤维及复合材料产业现状及其技术水平进行实证分析，梳理出亟须突破的关键技术，并探讨构建多方合作的合力攻关长效机制，为常州碳纤维及复合材料产业高质量发展规划和宏观决策提供借鉴。1碳纤维及复合材料产业链关键技术节点碳纤维产业链由上游原料供应，中游原丝、碳纤维、中间材料、复合材料制备环节，以及下游应用组成。碳纤维制造过程涉及物理、化学、纺织、材料、精密机械、自动化等多个学科，技术壁垒高、研发投入大、研发周期长。碳纤维及应用产业链关键技术节点图谱如图1所示10。2全球碳纤维产业现状及竞争力分析2.1从世界范围来看，碳纤维及复合材料历来是发达国家的必争领域当前，碳纤维生产及制备产业链主要集中在日、美、德等发达国家，其中日本是碳纤维强国，掌握了世界碳纤维核心技术，占全球小丝束碳纤维市场份额的49%；美国源于航空航天公司的应用驱动和生产要素的低成本，吸引大量碳纤维投资，产能最大，占全球大丝束碳纤维市场份额的58%11。目前，世界碳纤维产业呈现四大特点：一是日、美对碳纤维核心技术和产业的垄断与控制加剧；二是韩国及土耳其*2022年江苏高校哲学社会科学研究一般项目“江苏常州新型碳材料先进制造业集群高质量发展的协同体系研究”（2022SJYB1374）；2021年常州市软科学研究重点项目“石墨烯等新型碳材料产业链创新链融合发展机制研究”（CR20211002）。【作者简介】周伶俐，女，江苏常州人，博士，任职于常州纺织服装职业技术学院，副研究员，研究方向：科技管理及产业战略研究。【引用本文】周伶俐.常州碳纤维及复合材料产业关键技术突破路径研究 J.企业科技与发展，2023（8）：13-16.常州碳纤维及复合材料产业关键技术突破路径研究*周伶俐（常州纺织服装职业技术学院，江苏 常州 213164）13企业科技与发展，2023年，第8期，总第502期的碳纤维行业的新兴力量迅速崛起，碳纤维产能不断扩大，实现规模化效应；三是日本“东丽”、德国“西格里”、日本“三菱丽阳”、日本“东邦”和美国“赫氏”等碳纤维龙头企业实现全球化布局，产业集成度高，形成完整的产业链和产品的差别化定位；四是国外企业非常注重与下游用户的合作，碳纤维及其复合材料的应用领域得到极大扩展。2.2从全国来看，碳纤维及复合材料是建设制造强国的重要机遇近50多年来，在国家科技与产业政策的支持和应用的有效牵引下，我国碳纤维产业取得了重大突破，在国内形成以江苏、山东、吉林和山西等地为主的碳纤维产业集聚地12。目前在部分细分领域已打破美、日的技术封锁，产业化取得一系列成果，包括部分成套设备制造实现国产化；研制出接近日本“东丽”T300水平的碳纤维产品，并在航空航天和民用领域得到应用，T700和T800（湿纺工艺）具备国防应用水平；T700和T800（干喷湿纺）基本具备国防和工程应用水平；T1000、M55J等高性能碳纤维研制也取得了很大进展13。但是，我国受制于国外在产品、技术、装备方面严格的“三封锁”，在高端碳纤维制造技术、核心生产设备、高端应用、人才储备方面，均与美、日等国存在一定的差距。2.3碳纤维及复合材料是江苏省重点培育的优势集群以石墨烯、碳纤维为代表的先进碳材料产业链是江苏省委、省政府重点培育的10条卓越产业链之一。江苏高性能碳纤维产业发展拥有良好的基础，是我国碳纤维大省，其产业规模占全国的 50%，拥有“中复神鹰”“恒神股份”“中简科技”“新创碳谷”“江苏澳盛”“航天海鹰”“江苏天鸟”等骨干企业，形成以连云港、镇江、常州为核心的集聚分布格局，初步形成包括碳纤维制备、中间制品生产、复合材料成型开发、检验检测与标准化的产业链结构，在全国范围内率先实现了T300级、T700级、T800级、T1000级的碳纤维产品的产业化14。其中，常州作为江苏省碳材料发展的重点区域，在原丝聚合、凝固成型、材料复合等产业链关键技术环节取得国内领先地位，形成以“中简科技”“新创碳谷”“安泰复材”3家龙头企业为牵引，江苏集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院为创新平台支撑，“科泰思”“江苏三强”等多家潜力企业集聚的“3+1+X”产业发展格局。3常州碳纤维及复合材料产业布局和技术水平分析常州经过10多年的积淀和发展，在高性能纤维的研发制造、纤维用树脂的研发、复合材料工艺应用、复合材料制造装备和应用领域，形成良好的发展态势，集聚了“中简科技”“宏发纵横”“安泰复材”“新创碳谷”“帝威新材”等30多家具有自主知识产权和核心竞争力的龙头骨干企业，在全国范围内率先实现了标准模量（T300级、T700级）、中等模量（T800级）、高强高模（T1000级）的碳纤维产品的产业化，同时拥有湿法和干喷湿法两项原丝关键生产技术，配套方面涵盖浆剂、树脂、织物、预浸料、复合材料、生产设备等门类较为齐全的产品，初步形成包括碳纤维制备、中间制品生产、复合材料成型开发、检验检测与标准化的产业链结构，在原丝聚合、凝固成型、材料复合等产业链关键技术环节取得国内领先地位15。尽管常州碳纤维及复合材料产业取得了长足发图1碳纤维及应用产业链关键技术节点图谱14展，但仍存在基础研究不足、关键技术节点缺失、产业链上下游协同不足、产业整体规模不大、对地方经济贡献不够等一系列问题。基于关键技术关乎产业链安全，具有国家战略属性的特点，本文对照碳纤维及复合产业链关键技术节点和全球碳纤维产业现状，将该产业的关键技术分为两类：一类是“暂时不可控”技术，需完全依赖进口或国内其他地区的关键核心技术，包括油剂、纺丝设备（喷丝头、喷丝板、蒸汽牵引机）、上浆剂、预浸机（热塑性）、高端树脂；另一类是“基本和部分可控”技术，对标国际新一代碳纤维技术、高端应用，仍需持续提高产品性能和质量，持续降低生产成本的技术节点，如低成本、大规模干喷湿法纺丝、热固性复合材料回收、碳纤维航空航天高端应用等。常州碳纤维及复合材料产业布局和技术水平分析见表1。4常州碳纤维及复合材料产业关键技术突破路径的建议为做强常州“东方碳谷”产业地标，可从以下3个维度，凝聚政府学研企业三方合力协同攻关关键技术16。4.1加强顶层设计与战略统筹，深化“产学研”协同攻关“卡脖子”威胁产业技术安全和国家战略安全，一级节点原丝碳纤维碳纤维中间材料碳纤维复合材料应用配套融入省产业研究院体系二级节点纺丝预氧化、碳化织物预浸料热固性复合材料热塑性复合材料航空航天风力发电交通运输压力容器检测认证共建“江苏省集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院”“江苏省碳纤维及复合材料产业创新中心”“JITRI碳纤维复合材料联合创新中心”共建“长三角碳纤维及复合材料创新中心”，统筹协调全国碳纤维及其复合材料领域创新资源在长三角地区集聚，实现资源开放共享，增强协同创新能力，保障国家重大工程对关键材料的战略需求积极建设碳纤维及复合材料国家级检测评价认证标准联合实验室，开展碳纤维及复合材料材料检测服务、评价测试、工艺装备操作的标准及认证体系等业务三级节点湿法纺丝干喷湿法纺丝预氧化炉、碳化炉、石墨化炉二维织物、三维织物预浸机预浸料树脂选型、模具设计热塑性复合材料航空碳纤维复合材料构件风电叶片汽车车身结构模压成型压力容器检测测试龙头企业中简科技新创碳谷中简科技宏发纵横、康帕斯德、帝威新材常州赛瑞帝威新材宏发纵横君航复材新创智能、启赋安泰、三强、科泰思宏发纵横神鹰碳塑、新创汽车、华复轨道、新创智能新航复合达姆斯产业化现状创造中国高性能碳纤维自主可控的产业化之路，填补行业空白。率先突破T700、T800级碳纤维国产工程化稳定制备，解决多项“卡脖子”难题建成国内首条年产3 000 t、50 K大丝束碳纤维碳化生产线，填补国内空白，属潜力节点3种设备实现自主研发，生产自用二维织物水平较好，品种、产业化稳定。三维织物技术基本可控新一代PS1热熔型预浸机操控精度高，自动化程度高，产业化稳定复合材料中间制品、预浸料、碳纤维织物已实现产业化已开发高压树脂和固化剂高速混合注射技术，已开发高压注射装置，已完成上海申龙新能源客车批量应用、乘用车车身和高铁设备进入测试连续碳纤维CF/PEEK等高性能热塑性复合材料预浸料，广泛应用于航空航天、军工、医疗器械以及核电等高端领域。目前，国内排名前十的医疗器械企业有9家与君航开展合作航空碳纤维复合材料构件高效加工关键技术研发有突破。复合材料预成型体智能化成套装备研发及产业化成果获转化，属潜力节点，正在建设中高性能纤维经编增强复合材料应用于风电领域，全球市占率达30%，但碳纤混合经编复合材料所占份额较少碳纤维复合材料车身结构制造具备初步的产业化规模，基本实现量产2018年投资1亿元，生产无人机、结构件、压力容器，潜力节点潜力节点，建立了“原料材料构件部件”的完整测试能力，是国内高性能纤维复合材料领域检测的权威机构技术先进性潜力节点，实现了部分替代，国内技术水平与国际水平基本相当，亟须提升纺丝速度潜力节点，技术国内领先，但产品在温控精准度等性能上与国外还存在差距潜力节点，二维织物国内领先，实现国产替代进口。高性能玻纤/碳纤三维预成型体研发及产业化成果获转化潜力节点，热熔预浸机实现替代进口，但技术参数有差距；热塑预浸机无生产企业，依赖进口潜力节点潜力节点，处于国内先进水平，但与国际领先水平存在较大差距自主可控度完全可控部分可控部分可控完全可控部分可控基本可控基本可控部分可控部分可控部分可控暂时不可控基本可控基本可控表1常州碳纤维及复合材料产业布局和技术水平分析周伶俐.常州碳纤维及复合材料产业关键技术突破路径研究15企业科技与发展，2023年，第8期，总第502期在短期内很难攻克。因此，常州应面向国家重大需求，紧紧围绕构建自主可控的碳纤维产业体系的使命，一要加强顶层设计与战略统筹，建立产业科技安全预警监测运行机制，对“卡脖子”问题进行动态研判、分级管理，加强制度政策供给，确保产业链安全；二要依托“龙城实验室”“江苏省集萃碳纤维及复合材料应用技术研究院”“江苏省碳纤维及复合材料产业创新中心”等国家战略科技力量，深化政“产学研”合作，发挥政府重大科技创新“组织者”和企业技术创新“出题者”的作用，探索“任务定榜”“前沿引榜”“企业出榜”“需求张榜”等新模式，重点突破原辅材料和生产装备等“卡脖子”环节。4.2积极融入区域创新体系，增强基础研究与应用基础研究能力碳纤维制造是一项集多学科、精细化、高端技术于一体的系统工程，涉及化学、物理、纺织、材料、精密机械、自动化等多个学科领域，以及上千工艺流程参数的高精度控制。碳纤维产业的“卡脖子”技术问题涉及多个领域，背景成因复杂，根源在于基础研究与基础应用研究。日本“东丽”T1100G碳纤维的成功研制，得益于在碳化工艺过程中，在纳米尺度上碳纤维微观结构的改善，从而大幅提升碳纤维的强度和弹性模量。常州应以建设长三角碳纤维及复合材料技术创新中心和龙城实验室为契机，整合国内外高校、科研院所、企业在大型科学装置、学科、科研、人才等方面的优势资源，围绕碳纤维及复合材料的原料开发、结构设计、工艺研究、下游应用等全流程，进行跨区域、跨领域创新力量的优化整合，开展碳纤维及复合材料产业的基础研究与应用关键技术研究，为行业发展提供源头技术供给，支撑常州碳纤维产业向中高端发展。4.3强化领军企业培育，发挥领军企业补链、强链、延链的引领作用产业链的领军企业起步早、实力强、上下游联动能力强，影响力大。常州碳纤维产业拥有“中简科技”“宏发纵横”“新创碳谷”等多家国内龙头企业，应加大对这些领军企业的全方位支持力度。支持领军企业充分发挥行业引领作用，面向国家战略需求和产业链短板，牵头开展自主创新项目，争取上级资金，加强上下游联动，深化“产学研”合作；支持领军企业牵头组建创新联合体，以产业链安全、国家安全为牵引，全面链接创新链、产业链、资金链、人才链，促进常州市碳纤维产业链强链、补链和延链，努力将常州打造成具有国际影响力，国内领军的碳纤维产业基地。5结语尽管常州市碳纤维产业取得了长足发展，但是在产业链自主可控和安全性方面，仍存在多个缺失的关键技术节点，相比国际、国内先进水平，仍有很大提升空间。下一步，常州将积极融入区域创新体系，凝聚政府-学研-企业三方合力，深化“产学研”协同攻关，尽早突破一批产业关键共性技术，积极抢占碳纤维材料竞争和未来发展制高点，在强化国家战略科技力量上展现常州担当。6参考文献1 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