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科技资讯
日本制造走下神坛,“中国碳纤维国家队”用半个世纪突破技术封锁!
时间:2017年12月26日

今年下半年以来,日本制造业的声誉不断受到重创。11月底,继神户制钢所、三菱材料之后,全球最大的碳纤维生产商日本东丽株式会也承认旗下生产轮胎用线材的子公司Toray Hybrid Cord Inc数据造假行为,让“日本制造、日本匠人”再次走下神坛。

神话破灭的背后

当东丽被指出数据造假,不少人第一反映是其作为优衣库的供应商,优衣库的服装质量会不会有问题。可是别忘了,东丽最大的优势产业是碳纤维。国际碳纤维市场的半壁江山被日本占据:东丽、东邦和三菱丽阳3家企业便拥有全球丙烯腈基碳纤维50%以上的市场份额。日本生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位,东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。其不仅是全球汽车、飞机制造企业,如戴姆勒、波音公司的供应商,东丽的碳纤维型号还是行业的强度标杆。

中国碳纤维落后日本30年?

一直以来我们都在说中国碳纤维比日本落后30年,事实真的如此吗?

看今日

12月17日,第二架C919大型客机在上海浦东国际机场完成首次飞行,这意味着C919大型客机逐步拉开全面试验试飞的新征程。

国产大飞机C919飞机从外形到内部布局,都由中国自己设计研制,共花费7年时间。大飞机机身的15%采用了树脂基碳纤维材料,这是民用大型客机首次大面积使用这种材料,在同等强度下,它的重量比传统材料轻80%,疲劳寿命更长。国产高技术纤维芳砜纶的使用,使大飞机再度“瘦身”,整体减重7%左右。

就在昨日,吉林化纤宣布该集团8000吨大丝束碳纤维碳化项目一期2000吨生产线试车成功。该条生产线是全球唯一的大丝束碳纤维碳化生产线,其装备水平、生产能力全球领先。大丝束碳纤维制备技术是碳纤维行业低成本化的关键技术之一,也是碳纤维在工业领域大面积应用的主要技术路径,但此前较长一段时期,中国生产的碳纤维全是小丝束。大丝束碳纤维生产效率高,生产成本比小丝束低30%以上,在复合材料制备过程中铺层效率高。

今年1月,哈尔滨天顺化工科技开发公司宣布,继在2015年底成功达产低成本T700级碳纤维基础上,利用自产千吨线生产的原丝,再次突破低成本T800级碳纤维生产技术。目前,天顺化工规模化生产的T800级碳纤维成本仅为350元/公斤,该技术不仅打破了部分国家在高性能碳纤维领域对我国实施的贸易封锁,更将生产成本降到国际价格的1/3。

中国纺织工业联合会副会长、中国化学纤维工业协会会长端小平曾表示,目前,中国单个碳纤维企业的年产能突破1000吨,多家企业突破干喷湿纺技术,碳纤维产品已覆盖高强、高强中模、高强高模等多个系列,其中T700级碳纤维已具备较强市场竞争力,T800级碳纤维性能基本与国外同类产品一致,M30、M35、M40级碳纤维可满足国内市场应用需要。

在企业经营方面,重点碳纤维企业的经营效益有所改善,个别企业已经实现赢利,行业整体的生产经营状况有所好转。比如,威海拓展已经连续多年实现赢利,中复神鹰碳纤维公司2016年实现赢利。江苏恒神股份、吉林化纤集团碳谷公司成为新三板挂牌企业,威海光威复合材料股份有限公司今年9月正式登陆深圳证券交易所创业板。碳纤维企业正在进入资本市场,以获得更多的资金支持。

在应用方面,国内市场对碳纤维的需求仍保持增长,建筑补强领域的碳纤维用量与上年相比基本保持稳定,约为1200吨左右。风力发电、汽车零部件、管道需求增长较大。碳纤维预浸料需求也保持一定增长,原因是体育休闲领域的碳纤维用量有小幅上升,虽然球拍、高尔夫球杆、渔具等传统体育休闲领域的碳纤维应用市场虽已趋于饱和,发展速度有所减缓,但随着消费结构不断升级,消费者对个性化产品提出更高要求,从而使碳纤维新产品的更新速度加快,比如,碳纤维在手机和笔记本外壳、滑雪产品、户外产品、箱包、小型无人机等新兴休闲领域的用量逐渐增多。目前,我国已经成为碳纤维生产大国,但还不是碳纤维生产强国。

相关专家表示,随着我国碳纤维行业在自主研发方面的不断突破,碳纤维的产量将会保持较快增长,预计2017年能接近5500吨,2020年有望达到7000吨,到2022年将超过1.3万吨。

随着国内碳纤维自给能力的提高,预计我国碳纤维的需求也将能得到较好的释放。按照近年来我国碳纤维需求量年均增速,预测“十三五”期间我国碳纤维需求量将保持14%以上的年均复合增速,到2022年我国碳纤维需求量将超过4.8万吨。

这些数字说起来容易,却不知道为了突破日本和美国等碳纤维“巨头”的技术垄断和封锁,中国碳纤维产业花费了近半个世纪的时间。

看起点

1959年,日本发明了用聚丙烯腈为原丝加张力牵伸制造碳纤维的方法,西方于上世纪70年代开始商业化。

中国碳纤维研究始于上世纪60年代初,但由于西方对中国高度技术封锁,加上国内资源紧张,碳纤维的相关研究工作进展非常缓慢。

上世纪90年代初,尝试做技术引进的企业都宣布失败。在之后的几年里,国家累计投入2600多万元,用于碳纤维的研发和生产,一定程度上满足了部分国防军工的需求。但在产品质量与技术方面仍与日本有较大差距,同时成本一直居高不下。2000年,国内只有3家企业在勉强支撑做碳纤维的研发与生产。

如果没有“让中国碳纤维更强”梦想的支撑,国产碳纤维企业坚持不到今天。

民族企业家为梦想而战

张国良,中复神鹰碳纤维有限责任公司董事长、连云港鹰游纺机集团有限责任公司技术研究院院长,就是中国众多怀揣并勇于实践这个梦想的人之一。2005年时,年近50岁的张国良还在从事纺织机械生产领域的工作。当时苦于为公司发展寻找新项目的他,接触了解到碳纤维的优越功能和广泛用途。

碳纤维被誉为“新材料之王”、“黑黄金”,是具有高强、耐高温、耐腐蚀、导电好的特种高性能纤维,在交通、医疗特别是在国防军工、航空航天等领域有着极其重要的地位。也正是因此,碳纤维的制备技术难度很高,被日美等少数国家长期封锁垄断,虽然我国在碳纤维领域的研究已有40多年,却一直没有实现产业化,在相关应用领域的碳纤维原料需求始终受制于人。

巨大的使命感以及对这项技术的痴迷,使张国良把打拼多年的公司交给职业经理人打理,自己全身心投入碳纤维技术的产业化之路。当时,国内的碳纤维研究基本局限于实验探索阶段,业内专家们对张国良的想法也是一片质疑之声:“碳纤维难度太大,有些国内企业几个亿的投资砸进去,连碳纤维原丝的影子都没见着,你能行?”然而,执着的他一旦认准了这个方向,哪怕是倾家荡产,也要造出中国人自己的碳纤维。从此,张国良带领团队一头扎进了碳纤维的研发攻关课题中。
   
2005年9月29日,碳纤维项目正式启动,多年从事纺织机械的生产经验让张国良敏锐地发现,碳纤维的生产原理与腈纶的生产工艺有相通之处,只是技术要求更加苛刻。他查遍有关碳纤维的信息,记录下3000多个主要工艺数据,花费了几个月的时间,他几乎找遍了国内碳纤维的专家,把一辆吉普车跑得几乎散了架。正是因为这股痴迷的劲头,一群满怀碳纤维“中国造”梦想的人,带着几十年碳纤维研究的经验跟随张国良组成了一支“碳纤维产业化国家队”。
   
简单说,碳纤维的原丝就是“无瑕疵”的腈纶,再将原丝经过碳化就得到了最终产品。然而,要真正做到“无瑕疵”和实现稳定的碳化过程要经过多次的技术攻关。从实验室技术到产业化并不是一个简单的过程,没有设备、没有技术,除了自主创新,张国良和他的团队别无选择。
   
试生产过程也是困难重重,由于输料管堵塞,浆料越来越稀拉不出丝来,问题一个接着一个,而生产线一旦开车就不能停,每天试验花掉的钱相当于购置一辆全新桑塔纳汽车的资金,每当大家感到困惑时,给出解决方向的还是张国良。
   
在不断的技术攻关中,张国良带领团队取得一个又一个突破,生产线规模不断扩大,技术成熟度不断提升,2007年张国良成功生产出第一批碳纤维;2010年,100吨T300级碳纤维规模生产,打破了发达国家对国内碳纤维市场的长期垄断;2015年团队成功攻下了干喷湿纺T700碳纤维工艺,成为我国唯一个攻克这一工艺难题的企业。

在碳纤维生产步入正轨后,张国良持续加大碳纤维的后道制品研发力度,将碳纤维成功应用到纺织机械零部件、空轨列车车厢等更多民用产品中,以及投入到航天及火箭等国家尖端领域和国防建设领域的应用中。

在碳纤维的研发应用道路上,还有许许多多像张国良一样的企业家们在奋斗。

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