1.1 世界碳纖維發展簡史

 

      1959年日本大阪工業試驗所（Osaka Technical Research Institute）的近藤昭男博士（Dr.Akio Shindo）發明了PAN基碳纖維制備技術，全球碳纖維產業整整發展了六十年。“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的研發。主要以日本與英國為主導，日本主要有大阪工業試驗所、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，其中美國聯碳公司（UCC）公司是代表, 因此美國的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維發展晚于英國與日本。

 

        1970年代的特點是工程化技術的研發及應用的開拓。工程化能力實現了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動機項目RB-211遇到重挫（后期基于這款發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——發動機風扇葉片。英國的碳纖維發展之路一下子被堵死，英國技術只能到美國發展。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，為碳纖維工業嬰兒找到了應用乳汁。

 

      1980年代的特點是工業化，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。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）。世界上發生幾起延續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的股份，寶馬退出碳纖維產業）；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。國內產業大浪淘沙，強者愈強。

 

       總結世界碳纖維60年的發展歷史：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。

 

       總結成功公司的特點：用30年時間踏實完成實驗線-工程線-工業化的道路，注重產業鏈與應用生態的開發。

 

       1.2.中國碳纖維發展簡史

 

       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年發展規劃，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多家研究和企業單位參加，如由吉林化學工業公司研究院、吉林遼源石油化工廠、蘭州化學工業公司化纖廠、上海合成纖維研究所采用不同溶劑路線研發聚丙烯腈（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，吉林化學工業公司經過調研、詢價，世界各知名碳纖維公司均囿于“巴黎統籌條約” 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。聯合國開發計劃署（UNDP）和聯合國工發組織（UNIDO）批準在北京設置 “碳纖維及其復合材料的開發應用”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 “關于加速開發高性能碳纖維的請示報告”。“江辦” 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，迅速成為工業技術的轉讓者，整個2000這十年，據不完全統計，上碳纖維項目的超過40家，投資規模超過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“優勝劣汰”。2012年，筆者與申屠年先生合作發表了《對中國碳纖維及其復合材料產業鏈發展現狀的反思》，同年的香山會議上做報告，得到行業及政府主管部門的廣泛認同與共鳴。從產業角度，燒錢開始讓人心慌與絕望，出現了很多“爛尾樓”與“僵尸企業”。同時，認真積累技術、踏實工作的企業迎來了春天：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從高峰時超過40家變成今天的十余家企業，市場的優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，復雜技術系統的發展需要很長的時間，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助與支持，發表、整理與保存這些歷史資料。

 

       1.3.國外與中國發展史的比較

 

       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，國際上在做工業化與商業化；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、在優勝劣汰，而國際在收獲大應用帶來的大收益與大發展。對照歷史之下，其實我并未太遺憾，畢竟我們60、70、80年代的工業技術、企業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，直接躍進工業化，缺少的工程化技術開發，在企業的工業裝置上燒錢來做；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，對工程與工業缺乏基本的敬畏，企業家利用小農經濟（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。當然，我們也可以說，這是中國經濟進入工業文明階段必然要交的學費。

 

       從社會的層面，國際上，二戰之后，大家均在大力發展科技強國，產業的社會環境相對穩定，英美日本之間的國際合作非常頻繁，70年代，美國人創造的碳纖維高爾夫球桿，網球拍，啟發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，又幫助碳纖維產業順利完成了兒童期；同期，日本所有碳纖維企業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鏈與生態。

 

       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，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，軍工企業一片蕭條，沒有60-70年代重視軍工的政策環境，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，大陸的體育器材中玻璃纖維向碳纖維轉移，這形成了新的發展動力。2005年后，軍工企業逐步得到重視，對碳纖維的需求開始觸發產業的發展。平穩的政治經濟的發展，對特定產業發展至關重要。從60年代到今天，我們的碳纖維產業的主體是在國內打轉，還沒有融入國際高端產業鏈與生態圈。近幾年，光威及澳盛的碳梁產品已經進入國際產業鏈，這是個非常欣慰的進步！

 

       全球化的今天，嚴格意義的“自主創新”是不客觀與不現實的，更多地是在人類成果基礎上的集成創新或再創新。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鏈及生態，是碳纖維企業發展壯大的必然之路。

 

       1.4.全球碳纖維歷史里程碑

 

       下一頁，我們對碳纖維發展中的發現及技術發明、重大應用突破以及產業政策選為里程碑事件。旨在讓大眾對產業的發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。

 

       特別鳴謝

 

       感謝碳纖維全行業的參與企業的高度關注與支持，大家對我們的數據與結論均作出了非凡的貢獻；感謝中國中服白雪垠先生和陳宇航先生多年來不懈的支持；感謝中國化纖協會各位領導的支持；感謝中國復合材料集團前董事長張定金先生等一批業界同仁無私分享行業信息與思想。