世界范围碳纤维产业的布局概况
碳纤维的主要生产国家/地区包括日本、美国、韩国、欧洲部分国家及中国台湾。技术先进国家在碳纤维技术发展初期已经意识到该材料的重要性,纷纷进行战略布局,大力推动碳纤维材料研发。
日本:
日本是碳纤维技术最发达的国家。日本东丽、东邦和三菱丽阳3家企业的碳纤维产量约占全球70%~80%的市场份额。尽管如此,日本依然非常重视保持在该领域的优势,尤其是高性能PAN基碳纤维以及能源和环境友好相关技术的研发,并给予人力、经费上的大力支持,在包括“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”和“京都议定书”等多项基本政策中,均将此作为应当推进的战略项目。日本经济产业省基于国家能源和环境基本政策,提出了“节省能源技术研究开发方案”。在上述政策的支持下,日本碳纤维行业得以更加有效地集中各方资源,推动碳纤维产业共性问题的解决。
“革新性新结构材料等技术开发”(2013—2022)是在日本“未来开拓研究计划”下实施的一个项目,以大幅实现运输工具的轻量化(汽车减重一半)为主要目标,进行必要的革新性结构材料技术和不同材料的结合技术的开发,并最终实现其实际应用。产业技术综合开发机构(NEDO)于2014年接手该研究开发项目后,制定了几个子项目,其中碳纤维研究项目“革新碳纤维基础研究开发”的总体目标是:开发新型碳纤维前体化合物;阐明碳化结构形成机理;开发并标准化碳纤维的评估方法。该项目由东京大学主导,产业技术综合研究所(NEDO)、东丽、帝人、东邦特耐克丝、三菱丽阳联合参与,已在2016年1月取得了重大进展,是日本继1959年发明“近藤方式”后,在PAN基碳纤维领域的又一重大突破。
美国:
美国国防预研局(DARPA)在2006年启动先进结构纤维项目,目的是召集全国优势科研力量,开发以碳纤维为主的下一代结构纤维。在此项目支持下,美国佐治亚理工学院的研究小组在2015年突破了原丝制备技术,使其弹性模量提升了30%,标志着美国具备了第三代碳纤维的研制能力。
2014年,美国能源部(DOE)宣布为“针对非食用生物质糖类转化为丙烯腈的多步骤催化过程”、“研究和优化多通路生产生物质衍生的丙烯腈”两个项目提供1130万美元资助,以推进用农业残留物、木本生物质等可再生非食物基原料生产具有成本竞争力的可再生高性能碳纤维材料相关研究,并计划在2020年以前,将生物质可再生碳纤维的生产成本降至5美元/磅以下。
2017年3月,美国能源部再次宣布提供374万美元资助由美国西部研究所(WRI)领导的“低成本碳纤维组件研发项目”,主要以煤和生物质等资源为原料,开发低成本的碳纤维部件。
2017年7月,美国能源部宣布资助1940万美元用于支持先进高能效车辆技术研发,其中670万美元用于资助利用计算材料工程制备低成本碳纤维,主要包括开发集成计算机技术的多尺度评价方法,用于评估新碳纤维前驱体的积极性,并利用先进分子动力学辅助的密度泛函理论、机器学习等工具来开发先进计算机工具,以提高低成本碳纤维原料的遴选效率。
欧洲:
欧洲碳纤维产业在20世纪七八十年代紧随日本和美国发展起来,但因为技术以及资本等原因,许多单一生产碳纤维的企业没有坚持到2000年后的碳纤维需求高增长期就消失了,德国SGL公司是欧洲唯一一家在世界碳纤维市场上占据主要份额的公司。
2011年11月,欧盟启动EUCARBON项目,致力于提升欧洲在工业用碳纤维和预浸渍材料方面的制造能力。项目历时4年,总投入320万欧元,并于2017年5月成功建立欧洲第一条面向工业用特种碳纤维生产线,从而使欧洲有望摆脱对该产品的进口依赖,确保材料供应安全。
欧盟第七框架计划以608万欧元支持“利用具有成本效益和可调控性能的新型前驱体制备功能化碳纤维”(FIBRALSPEC)项目(2014—2017)。该项目为期4年,由希腊雅典国立技术大学主导,意大利、英国、乌克兰等多国公司联合参与,主要致力于创新和改进连续性制备聚丙烯腈基碳纤维的流程,实现连续PAN基碳纤维实验性生产。该项目已经成功完成了从可再生有机聚合物资源中生产碳纤维以及强化复合技术的开发应用(如超级电容器、快速应急避难所,以及纳米纤维的原型机械电动旋涂机及生产线研制等)。
越来越多的工业领域(例如汽车、风能发电、造艇业)需要轻量高性能复合材料,这对碳纤维产业来说是巨大的潜在市场。欧盟投资596.8万欧元启动CARBOPREC项目(2014—2017),其战略性目标是从广泛存在于欧洲的可再生材料中开发低成本前驱体,通过碳纳米管增强生产高性能碳纤维。
韩国:
韩国的碳纤维研发与产业化起步较晚,研发始于2006年,2013年开始正式进入实用化阶段,扭转了韩国碳纤维全部依赖进口的局面。以韩国本土的晓星集团和泰光事业为代表的行业先锋积极进行碳纤维领域行业布局,势头发展强劲。此外日本东丽在韩国建立的碳纤维生产基地也对韩国本土的碳纤维市场起到了促进作用。
韩国政府选择将晓星集团打造成碳纤维的创新产业聚集地。旨在形成碳纤维材料产业集群,促进全北地区创意经济生态系统的发展,最终目标形成碳纤维材料→零部件→成品一条龙生产链,建立可与美国硅谷比肩的碳纤维孵化集群,挖掘新市场,创造新的附加值,到2020年实现碳纤维相关产品出口额100亿美元(折合人民币约552亿元)的目标。
国内:
基于碳纤维材料的国家战略需求以及国际技术封锁的紧迫形势,我国已将其列为重点支持的新兴产业的核心技术之一。在国家“十二五”科技规划中,高性能碳纤维的制备和应用技术是国家重点支持的战略性新兴产业核心技术之一。
2015年5月,国务院正式发布《中国制造2025》,把新材料作为重点领域之一进行大力推动和发展,其中高性能结构材料、先进复合材料是新材料领域的发展重点。2015年10月,工信部正式公布了《中国制造2025重点领域技术路线图》,将“高性能纤维及其复合材料”作为关键战略材料,2020年的目标为“国产碳纤维复合材料满足大飞行器等重要装备的技术要求”。
2016年11月,国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,明确指出加强新材料产业上下游协作配套,在碳纤维复合材料等领域开展协同应用试点示范,搭建协同应用平台。2017年1月,工信部、发改委、科技部、财政部联合制定《新材料产业发展指南》,提出到2020年,“在碳纤维复合材料、高品质特殊钢、先进轻合金材料等领域实现70种以上重点新材料产业化及应用,建成与我国新材料产业发展水平相匹配的工艺装备保障体系。”
(本文摘自《全球碳纤维技术发展分析及其对我国的启示》,来源:《新材料科学与应用技术》)
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