碳纤维复合材料作为国家《新材料产业“十二五”发展规划》的一个重点支持领域，正在日益受到广泛 国家新材料产业“十二五”规划明确提出，高性能复合材料是新材料产业发展的重点之一，也是国家新材料产业的支持重点。碳纤维复合材料是高性能复合材料中最为常用的一种，其应用领域正在从传统意义上的军用不断向民用扩展，并积极与战略性新兴产业相结合。因此，发展碳纤维复合材料，提升改造传统产业已成为当前国家新材料产业发展的一项艰巨任务。
从产业链看，碳纤维生产包括原丝加工、预氧化和碳化、材料合成和终端产品应用等几个环节。其中原丝加工是关键技术最多、成本最高的环节，约占碳纤维生产成本的50%～65%，这一环节的技术主要被日本、美国等发达国家所垄断。我国由于尚未完全掌握原丝加工的核心技术，因此原丝质量远不如日美等发达国家，导致产品性能达不到要求，产业更多集中在材料合成和终端产品环节。
从市场需求看，民用领域对高性能碳纤维的需求日渐升温。对天津而言，航空航天、大型风力发电叶片、高速列车、深井采油设备等都将成为未来碳纤维应用的主要领域，甚至民用汽车、纺织机械、压力容器、医疗器械等都会成为碳纤维的潜在市场。面对如此广阔的市场前景，天津发展碳纤维复合材料，对于提升改造传统产业、发展高端产品、促进天津产业和产品结构的转型升级有重要意义。
国外碳纤维行业发展特点
起步早，发展快，需求增长迅速。国外碳纤维的生产始于20世纪60年代，其制备工艺技术已日趋成熟。碳纤维性能的提高及其应用领域的拓展带动了全球碳纤维需求量的跃升。全球碳纤维产值在-年一直保持2位数增长，且呈现出供不应求的局面。尽管年金融危机的爆发使得全球碳纤维市场出现了一些波动，但近年来又显现出了稳步增长的态势，年全球碳纤维需求超过4万吨。根据美国JEC复合材料杂志的分析与预测，年全球碳纤维需求量约7万t（详见图1）。从区域上看，碳纤维的市场需求在北美、欧洲、亚洲基本上呈鼎足之势。
图1全球碳纤维市场需求量及应用领域分布
应用领域加速向民用和新兴产业扩展。碳纤维最早用于军工和航空航天产业，后来逐渐延伸到渔具、网球拍等体育用品。随着碳纤维产品性能趋向于高性能化，高性能T型碳纤维正在加快取代普通的T型通用级碳纤维。民用工业用量增幅有后来居上之势，增幅超过了航天航空和文体用品领域。据年在华盛顿召开的全球碳纤维会议发布的数据显示，目前全球碳纤维应用领域需求按行业划分分别为：航空航天约占17%、体育休闲约占16%、工业应用（包括风能和汽车）约占67%，碳纤维向民用转化的趋势愈发明显。目前日本、美国正在积极开发清洁能源车辆、土木建筑工程、近海油田勘探生产、风力发电机大型叶片等碳纤维复合材料的新市场，必定能够推进全球碳纤维复合材料与新兴产业的有机结合。
产业链一体化基本形成，龙头企业实现全球化布局。世界碳纤维领域的龙头企业主要有日本的东丽工业株式会社（以下简称“东丽”）、东邦化学工业株式会社（以下简称“东邦”）、三菱人造丝公司（以下简称“三菱人造丝”），美国的卓尔泰克（Zoltek）、赫克赛尔（Hexcel）、氰特化工（Cytec），德国的西格里（SGL）等公司。这些大企业纷纷实现从原丝到下游复合材料一体化的配套产业链，并基本实现了全球化布局，成为碳纤维复合材料领域的国际跨国巨头。如日本东丽公司在全球21个国家开展了业务，在我国的上海、南通等地设立了分支机构；德国SGL在全球拥有48个生产基地，并在德国、美国等国家设立了碳纤维试验工厂。
日本始终占据全球碳纤维市场垄断地位。日本集中了世界碳纤维领域的多家龙头企业，也使得碳纤维工业成为了该国10大高技术产业之一。早在20世纪60年代，日本东丽公司开始从事碳纤维制造，并在随后10余年先后生产出T、T和T级碳纤维，尤其在20世纪80年代中期生产的高性能T型碳纤维，抗拉伸强度已达7.02GPa。日本的东丽、东邦、三菱人造丝这3大全球碳纤维巨头的市场份额占全世界的70%。
国内碳纤维行业发展特点
起步不晚，但发展缓慢。我国碳纤维研究也有50年的历史。北京化工大学、上海合成纤维研究所、中国科学院山西煤炭化学研究所（以下简称“中科院山西煤化所”）等高校和科研机构都开展了研究工作。其中，中科院山西煤化所在20世纪70年代中期建成了我国第1条碳纤维中试生产线，在20世纪90年代中期又建成我国第1条吨级粘胶基碳纤维生产线。但是，我国碳纤维的研发总体发展缓慢，总生产能力甚至不及发达国家的一家公司。
近10年研发取得重大进展，但仍未形成规模。我国碳纤维的研发也曾尝试引进国外先进技术或与国外合作开发，但均以失败告终。直到近10年，我国碳纤维研发才取得了重大进展。低性能T型碳纤维产品已实现了全流程国产化；T级国产碳纤维完成中试并实现小批量应用。但我国目前已建的碳纤维年生产能力仍然只有t，尚不及日本东丽公司产能的一半，图2展示了年我国和全球主要碳纤维生产商产能对比情况。另外，我国的碳纤维生产没有形成规模化产业，绝大部分产品仍需从国外高价进口，而且我国所生产的碳纤维产品还主要是低性能产品。
图2 年国内（不含港澳台）和全球主要碳纤维生产商产能对比
龙头企业规模小，主要集中在合成和应用环节。与国外相比，我国碳纤维生产商规模较小，表1是国内主要的碳纤维企业产能情况。即使是中复神鹰碳纤维有限责任公司、江苏恒神纤维材料有限公司等国内龙头企业，现有年生产能力也不过～0t。我国的碳纤维主要占据产业链上的材料合成和终端产品应用2个环节，而在碳纤维核心关键技术研发和高温碳化技术上，显得非常薄弱，而且我国所生产的碳纤维仍以低性能的T碳纤维为主，对于高性能T碳纤维而言，目前只是完成了中试，产业化进程尚待时日。
关键技术和制备工艺突破不足，产品质量低。我国的碳纤维企业目前尚未掌握完整的碳纤维关键技术，导致原丝品质低，产品质量不稳定，纯度、强度以及均质化与技术领先国家差距甚远，特别是高性能碳纤维技术由于长期以来用作军工，更是被西方发达国家垄断和封锁。此外，我国在耐高温材料及大型高温炉方面也受制于人，这也是生产高性能碳纤维的瓶颈。国产碳化炉发热体——碳化硅服役温度最高仅达℃，高温环境下的抗负荷强度低，无法适应大尺寸规模化碳化炉发展的需求，难以实现℃最佳工艺要求。国外选用高纯石墨材料1℃以上的高温碳化炉，却严格限制将该设备出口到我国。
天津碳纤维复合材料发展的环境分析
下文通过分析国内外碳纤维发展现状，结合天津市的发展实际，运用波特的钻石模型，对天津碳纤维复合材料的发展环境加以分析。
要素条件。作为新兴的高技术行业之一，专业要素对于碳纤维复合材料行业的竞争优势构筑尤为重要。而天津在这方面，尽管有一定的发展基础，但仍存在很大的不足。
其一，天津有一定的研发机构和研究基础。天津在碳纤维领域也不乏知名的研究机构。天津大学材料学院拥有材料复合与功能化教育部工程研究中心和天津市材料复合与功能化重点实验室等，重点开展对碳纤维工艺的改进和增强等研究。天津大学开展了用催化法合成中间相沥青，制备中间相碳纤维。天津工业大学复合材料研究所目前已研制出碳纤维材料应用的第1代和第2代产品，并从工艺技术上掌握了第3代产品工艺的核心技术；还曾主持了以碳纤维为基础材料的“卫星空间桁架结构用三维编织复合材料整体连接件”项目，为我国月球探测卫星“嫦娥一号”顺利升空作出了巨大贡献；年天津工业大学复合材料研究所目又联合经纬纺织机械股份有限公司、北京航空制造工程研究所等多家单位共同参与国家科技支撑计划课题“碳纤维多层角联机织装备及技术”，将为我国航空航天、新能源汽车、高端自行车等产业的战略发展提供有力技术支撑。
其二，天津乃至我国都没有完全掌握碳纤维的关键技术，特别是原丝生产和高温碳化等方面仍然受制于人，因此整个国内产品的性能都远低于国外产品，而制备成本则远高于国外同类产品，甚至高于同等品质日本公司产品的价格。以T型碳纤维为例，我国目前生产成本最少元/kg，而日本公司的市场销售价则只有～元/kg。
需求状况。在碳纤维复合材料的几个主要应用领域中，天津表现出较好需求的态势。如在航空航天领域，碳纤维复合材料主要用来制作飞机部件；在自行车行业里，天津富士达集团有限公司等企业与天津工业大学复合材料研究所合作开发了碳纤维高档自行车及配件；在纺织领域，以天津工业大学复合材料研究所为龙头，开展了碳纤维材料应用的多项新产品，并得到较好的应用；在燃料电池领域，碳纤维纸作为导电材料也已开始在氢能源燃料电池的研发项目中有所应用。
随着滨海新区的开发开放，一批重大项目纷纷落户天津并投产。这些项目涉及航空航天、汽车制造、高端装备制造、新能源等，如“大飞机”、“大火箭”、新能源汽车制造、船舶制造加工、风能发电基地、自行车产业集群等。这些项目的实施也为碳纤维复合材料在天津的发展创造了用武之地。
尽管天津有着较好的碳纤维应用市场，但受生产成本和价格因素影响，除了少数行业和企业将碳纤维作为终端产品的原料外，碳纤维在天津的应用还处于起步阶段。加之现在天津几乎很少有从事碳纤维复合材料制造的企业，现有的基础根本就满足不了对碳纤维日益增长的需求。可见，碳纤维在天津的应用领域非常广阔。
相关产业和支持产业。一个优势产业不会单独存在，它的发展一定是同国内相关强势产业一同崛起。产业要形成竞争优势，就不能缺少上下游产业的密切合作关系。
从终端产品的应用领域看，碳纤维复合材料在天津有着广阔的市场。年，空客同天津签订了空客A系列飞机天津总装线二期合作框架协议。为适应航空器轻型化的趋势，新机型的制造研发将对碳纤维的需求日渐增大。除了航空航天之外，风电、新能源汽车、医疗器械等天津优势行业也快速发展，新兴产品的推广必将衍生出对碳纤维复合材料的大量需求，碳纤维也将通过切入零部件制备而与新兴产业能够有很好的融合。而在碳纤维制备环节上，天津缺乏碳纤维的原丝生产和碳化的技术、工艺和关键设备。我国吉林、辽宁等地碳纤维生产方面有一定的基础，自主研发了碳纤维生产的关键技术和高温碳化设备，并形成了生产线，但与国外相比整体水平还非常落后，更多的研究还停留在对低端产品的摸索上。
此外，环保产业作为相关产业之一，对碳纤维的发展更多地起制衡作用。碳纤维的生产制造环节是一个高污染、高能耗、高投入的过程，同时碳纤维制品严格的使用寿命和更新周期也使得大量废弃碳纤维的处理成了难题。这对于天津走新型工业化道路、建设生态宜居高地而言是背道而驰的。从全球来看，德国、西班牙等发达国家积极开展了碳纤维回收利用和碳纤维制备废物处理设备。因此，如何借助天津环保产业的优势，打造碳纤维全产业链的绿色制备，减少碳纤维制造对环境的污染，成为一个重要问题。
企业结构及其竞争状况。天津生产碳纤维材料的企业数量微乎其微，规模也不大，与国内外大型企业相比没有什么竞争优势。尽管也有美国Hexcel、瑞士固瑞特等外资企业在天津投资，分别面向波音飞机和风电叶片提供碳纤维复合材料，但这些企业更多处于产业链后端的成型加工上，为终端产品提供配套材料。在碳纤维原料的制备上，包括原丝加工、预氧化、碳化等环节的产品仍靠进口。
除了企业规模之外，天津乃至整个国内碳纤维在产品在质量和价格上都不具竞争力。受技术不成熟、装置不稳定等因素影响，国内的碳纤维产品不但价格高，而且集中在通用、基础和低档次品种上，在产品品质和性能上几乎无法同进口产品竞争。而进口碳纤维由于性能稳定、价格低廉得到更多国内用户的推崇。航空航天等事关国计民生的领域，对产品质量的要求更高，国产碳纤维目前尚达不到这些要求。为了能够保证成品的质量和性能，企业只能选用进口碳纤维。例如天津波音复合材料有限公司，选用的原料都是从国外进口，只是在本地做加工配套。这种进口产品的替代效应，造成天津和国内碳纤维制造企业长期处于亏损状态。
辅助因素——政策和机遇。政府的政策和产业发展的机遇对行业发展至关重要。碳纤维复合材料是国家在“十二五”期间重点支持的领域。国家《新材料产业“十二五”发展规划》指出：加快发展碳纤维等高性能增强纤维开发新型超大规格、特殊结构材料的一体化制备工艺，发展风电叶片、建筑工程、高压容器、复合导线及杆塔等专用材料，加快在航空航天、新能源、高速列车、海洋工程、节能与新能源汽车和防灾减灾等领域的应用。天津市也在《天津市新能源新材料产业发展“十二五”规划》中提到：大力发展碳纤维复合材料，重点实施波音复合材料二期工程、天塑双向拉伸聚丙烯新型基材生产等项目。
在机遇方面，除了将碳纤维复合材料作为未来发展重点这一战略机遇外，天津在碳纤维的应用领域非常广阔，这就为碳纤维复合材料提升改造传统产业、为高端产业配套创造了良好的机遇。如在风力发电领域，随着国家将新能源列入战略性新兴产业，未来风力发电将成为碳纤维的一个主要应用领域。预计年我国风电累计装机容量将达到～GW。若一台风机按12t计算，碳纤维的用量为0.6t/片，则风机消耗碳纤维1.8t/台。按我国装机约台/a，叶片需求量1.8万片/a计算，碳纤维的需求量为10t/a。在新能源汽车制造领域，碳纤维复合材料可用来制作汽车传动轴、尾翼和引擎盖，能大幅减轻汽车主要部件的质量，提高其燃效性能，适应轻型化和节能减排的需要。以高级乘用车为例，目前的钢铁底盘质量约达kg，如果改用碳纤维与树脂合成的碳纤维强化塑料，则底盘可降低到约kg，大大减轻了车身质量。在深井采油方面，一个m水深作业平台，钢制绳索重t，而改用碳纤维复合材料仅t。使用碳纤维除了减重，同时还可提高使用寿命、降低维修成本。在天津，发达的海洋石油资源也为碳纤维的应用提供了很大的市场。
综合上述分析可知，未来天津发展碳纤维复合材料将迎来一个潜在的机遇。与国内外其他区域比较，天津发展碳纤维复合材料在研发、需求、政府及机遇方面存在较好的优势，这说明天津有很好的应用基础，并且政府给予了充分的支持，市场前景好；而在要素条件、相关产业和支持产业、企业结构与竞争等方面存在较为明显的不足，这说明天津发展碳纤维的产业基础薄弱，甚至可以认为几乎是空白，缺乏上游和横向产业的支持配合，这将在一定程度上削弱天津发展碳纤维产业的竞争优势。
对促进天津碳纤维复合材料发展的思考
碳纤维作为未来在复合材料领域发展的一个重要方向，天津对其发展要采取以下策略：以应用作为突破口，依托材料合成，并以给天津的新兴产业提供原材料作为切入点，增强与天津战略性新兴产业的融合，以应用促进产业集聚，带动研发本地化，推动碳纤维复合材料的发展。
以用促聚，注重碳纤维与高端产业的融合，形成产业集群。天津在碳纤维研发和产业化方面应注重材料的应用领域，要与天津的战略性新兴产业紧密结合，为天津战略性新兴产业的发展提供基础。特别是在风电、自行车、汽车、航空航天、海洋石油装备等天津具有优势地位和重点发展的产业领域，天津应围绕大飞机、大火箭、石油化工产业基地建设等重大项目，加强与国内外碳纤维龙头企业的战略合作，并有针对性地引入天津开展区域总部或研发中心建设，为天津优势产业的终端产品提供复合材料配套，依托几大应用领域，逐步在配套中形成产业关联，促进产业聚集，进而带动研发和人才的聚集，推进碳纤维产业的国产化。
以用带研，为天津实现碳纤维产业化开展产品研发服务。天津在碳纤维制备的研发上具有一定的实力和基础，但产业化进程非常薄弱，因此要整合研发机构和企业的研发资源合作攻关、结合用户需求，发展新型碳纤维复合材料的产品。结合天津具有比较优势的“油头-化身-轻纺尾”产业链布局，以“轻纺尾”为突破口，从提高产品性能，提高原丝质量入手，充分利用石化产业上游的原料优势，采用自主攻关和“拿来主义”相结合的模式，开发新型碳纤维制备材料，进一步改造加工工艺，降低生产成本，早日实现对进口产品的替代，为推动天津高性能碳纤维复合材料技术的国产化服务，提升轻工、纺织等产业链终端行业产品的附加值。
以用兴业，通过终端产品的应用加速天津新材料提升传统产业的进程。天津要面向航空航天、风电、汽车、石油装备制造等天津重大项目和支柱产业对碳纤维材料的需求，开展碳纤维促进全市战略性新兴产业的应用研究和产品产业化，建立产品研发及推广中心。同时，天津要结合建设资源节约型、环境友好型社会的要求，对传统产业如压力容器、输电线缆、重型装备制造等加以改造提升，适度对传统产业的产品的材料选型进行升级，以满足其发展的轻量化、抗磨损、延缓使用寿命的需求，进而推进新材料产业的快速发展，为以新材料改造提升天津传统产业起到示范带动效应。
文/韩冰
天津市科学学研究所
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