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影响中国碳纤维产业发展的关键因素

2018-11-29

近年来,我国碳纤维产业化进程快速推进,成为少数几个可以生产碳纤维的。但是发达重点企业垄断了市场并实现了产业化,相比之下我国碳纤维产业仍然存在较大差距。总结先进的成功经验,找到影响我国碳纤维行业产业发展的关键因素,是行业突破的前提条件。

我国碳纤维行业整体处于起步阶段,关键技术装备以及产品稳定性与发达还存在一定差距。对碳纤维行业进行深入研究,发现影响产业发展的关键因素,总结先进的成功经验,提出适合我国碳纤维行业的发展思路和政策建议,有助于行业实现突破,对于保障重大工程以及国防科工的发展有着重要的战略意义。

一、从战略高度看待碳纤维业发展

碳纤维是一种性能优异的战略性新材料,密度不到钢的1/4、强度是钢的5-7倍,并且具有耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小等特点,广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。碳纤维行业发展需要集成化工、纺织、冶金、材料、装备等多领域的技术和工艺,可以有效带动传统产业和下游产业的转型升级。碳纤维行业的发展水平可以体现一个的工业基础、研发实力和管理水平。

(一)战略性新兴产业发展的基础

碳纤维是为了满足军事领域对隔热、耐烧蚀、轻质高强材料的需求而开发的,是典型的军民两用材料,在航空航天、卫星导弹、武器装备等领域有广泛的应用,可以满足先进武器装备对材料性能指标的要求,在实现武器轻量化和节能化方面有着重要的作用。如美国B1、B2、F22、F117等隐型战机大量使用碳纤维材料;国产战斗机、神州飞船也需要高性能碳纤维复合材料制备的关键结构件。碳纤维是国防现代化建设不可或缺的关键材料之一。

按《新材料“十二五”发展规划》统计,“十二五”期间,我国风电新增装机6000万千瓦以上,新能源汽车累计产销量将超过50万辆,大型客机等航空航天装备的复合材料应用比重将大幅增加。碳纤维复合材料的应用是风电大型化、轻量化的必然趋势,是新能源汽车实现减重、提高行驶里程的关键,可以大幅提高大型客机的燃油经济性。另外,碳纤维在压力容器、建筑补强、输电电缆、高铁设备等工业领域有很好的应用前景。

碳纤维行业的发展不仅能够满足国民经济和重大工程对高性能材料的需求,还可以推动石化化工、纺织化纤等传统行业的技术进步和转型升级,带动下游的航空航天、机械设备、能源交通等行业的发展,可以推动上下游产业的技术进步,形成上下游产业相互促进、互相推动的格局。碳纤维及其复合材料的应用,可以提高设备、装备的安全性,实现轻量化,提高燃油的经济性,减少有毒有害气体排放。

(二)日美企业产量占八成以上

1974年,日本东丽公司开始生产T300级和M40级碳纤维,之后美、英、德等国也相继掌握了生产技术。碳纤维早期主要用于航空航天和导弹等军事装备。随着碳纤维性能不断提升和低成本化的发展,在工业领域的应用逐步占据主导地位。

2011年,聚丙烯腈基碳纤维产能约9。8万吨,产量约6万吨,保持了年均约18%的增长速度。日本的产能占57%,美国占24%。生产PAN基碳纤维的重点企业约10家,日本东丽、东邦、三菱、美国赫氏、卓尔泰克、氰特是碳纤维主要生产企业,产量占80%以上,其中日本东丽公司处于******地位,稀有垄断高端碳纤维市场。2011年碳纤维消费量超过5万吨,其中工业应用约占60%,包括压力容器、汽车部件、风电、电子材料和石油、天然气设备等,其次航空航天约占20%,体育休闲器材约占20%。

从发展趋势看,随着碳纤维趋于高性能化,加之成本和价格不断下降,民用工业用量将继续保持快速增长,航天航空和体育休闲用量将稳定增加。据行业预测,到2015年,碳纤维产能将达到15万吨/年,产量约9.5万吨,消费量约8万吨。跨国公司将不断扩大产能,巩固其垄断地位,到2015年,日本东丽计划将产能从目前的1.9万吨/年增至2.7万吨/年。新兴的很多企业也不断进入碳纤维领域,如土耳其阿克萨、印度凯马奥思凯、韩国晓星、泰光和沙特沙比克等公司都加大了碳纤维产业的投资。

(三)我国产业链初步建立   长期以来,日、美等发达在碳纤维高端产品、技术装备等方面对我国进行封锁或限制性管理。自上世纪60年代以来,我国对碳纤维技术进行了积极的探索,但产业化进程十分缓慢。进入新世纪以来,我国碳纤维行业取得了一系列重大突破,打破了国外的技术封锁,建立了国产化主流技术,初步建立起技术研发、工程化研究和产业化生产的行业格局。特别是近年来,建立了级的研发平台,工程化技术日益成熟,千吨级工业化装置陆续建成并投产,初步建立了从原丝、碳纤维到复合材料及下游制品全产业链,为加快产业发展奠定了较好的基础。

2012年,我国碳纤维产能约1.2万吨,在建产能约6300吨,产量约2550吨,开工率约22%,表观消费量约1万吨,进口碳纤维约8600吨。我国碳纤维应用以体育休闲为主,约占60%,航空航天和工业领域的应用占比较低。我国碳纤维生产企业约26家,分布在14个省区市,江苏、吉林、辽宁比较集中。其中,具有千吨级(以12K计)规模的企业有4家,分别是山东威海拓展、中复神鹰、江苏恒神和中国化工。从资本构成看,碳纤维生产企业既包括央企和上市公司,又包括民企和股份公司等。从企业原来从事行业看,既包括与碳纤维生产技术密切相关的石化、化纤、纺织机械,又包括煤化工、工程塑料、冶金等。从技术来源看,碳纤维企业各具特色,包括:中石油吉化长期以自主研发为主;江苏恒神以引进为主,既引进国外先进的设备,又注重从国内外引进人才;中国化工收购英国Courtaulds公司,部分引进原丝技术;常州中简、河南永煤和中科院扬州中心的技术来自于中科院山西煤化所,浙江先泰的生产技术来自于中科院宁波材料所,北京化工大学同样是行业重要的技术支撑力量。

二、碳纤维行业发展四大特征   碳纤维技术研发周期长,对稳定性要求很高。碳纤维属于技术密集行业,研发周期长,技术壁垒高,需要集成高分子化学、纺丝工艺、高温冶金、精细化工、复合材料等方面的理论技术和工艺装备,产业链条非常长,关键控制点超过3000多个,同时对稳定性有非常苛刻的要求,既要求同时生产的每根、每束性能保持一致,又要求随着生产周期的延长,性能要保持稳定。在碳纤维发展史上,东丽花了5年的时间专门研发原丝,用了10年时间不断稳定提升T300碳纤维的性能,1984年研发成功T800碳纤维,近年来才开始大规模生产。

重点企业垄断市场并实现了产业化。美国注重原始创新,日本擅长精细化生产,在碳纤维产业发展中各具优势。复杂的工艺流程、高昂的研发费用以及很长的研发周期,使得国际上真正具有研发和生产能力的公司屈指可数。日本东丽公司稀有垄断高端碳纤维市场,但其他重点企业也各具特色,在原料多元化、合成体系、纺丝技术、丝束规格等方面具备各自的比较优势。比如,美国氰特除了可以生产PAN基碳纤维外,还可以生产高性能沥青基碳纤维;美国卓克泰尔在更具前景的大丝束PAN基碳纤维方面,产能处于地位;中国台湾台塑技术水平普通,但通过提高效率降低成本等手段,借助自身在塑料领域的优势,迅速扩张;土耳其阿什卡与陶氏合作,充分利用其在油剂、上浆剂、树脂、复合材料领域的技术优势,为未来发展奠定基础。

应用领域不断拓展,潜在市场逐步成熟。碳纤维下游应用技术的开发难度较高,碳纤维、树脂、上浆剂等之间工艺参数必须系统配合,复合材料设计与成型需要一体化,下游领域的应用开发需要较长的研发过程。同时,重点企业垄断市场,通过国防科工和航空航天等高端市场就可以获得巨额利润,缺乏降低价格扩大应用市场的动力。加之研发投入高、生产成本高,碳纤维应用范围长期局限在一些高端领域。近年来,随着碳纤维应用成本的下降,应用领域逐步由航空航天、体育休闲等扩展到一般工业领域,风力发电、压力容器、交通运输、输电电缆等领域的应用逐步成熟。为了应对这种趋势,东丽公司将成本更低的干喷湿法T700级碳纤维作为发展重点之一,收购了美国卓克泰尔,进入了成本更低的大丝束碳纤维领域,扩大单线产能规模以降低成本,建设了公共研发平台,不断加强与下游企业的合作研发。   市场和政府在行业发展中发挥了重要作用。碳纤维属于军民两用、政治敏感的战略性新材料,其早期开发具有浓厚的意志。时至本日,俄罗斯依然沿用前苏联模式,主导研发和生产,国有部门负责开发研究生产制造,保障国防科工和重大工程的需求。美国和日本采取以市场为主的模式,主要依靠大企业研发和生产,同时供应民用和国防应用领域。但是碳纤维天然与国防军工密不可分,企业的背后始终存在的影子。日本通过各种途径支持本国碳纤维企业发展,将其作为十大战略性产业之一。美国规定国防军工所需的重要材料都必须立足于本国生产,波音可以用东丽的碳纤维,国防军工则采用本国赫氏或氰特的碳纤维,同时对碳纤维高端产品和技术装备出口严格管控。   三、加速中国碳纤维行业发展

(一)基本思路

碳纤维市场的基本特征是寡头垄断,与自由竞争的市场经济有很大区别,同时其技术密集、军民两用、政治敏感的特征,使得企业行为的背后始终伴随着意志。作为发展中,我国碳纤维企业研发实力薄弱,资金资本积累不足,单纯依靠市场和企业自身的力量,很难突破国际巨头的垄断。另外,从发展中的成功经验来看,日本和韩国实现现代化的过程中,许多产业都经历了政府大力推动的过程,之后随着现代化的深入,政府又逐步转移经济主导权。但是政府主导行业发展的模式并不可取,计划经济的内在缺陷使企业对市场发展形势不敏感,缺乏持续创新适应市场的内在动力和基础,缺乏持续造血的能力。   我国碳纤维行业发展迅速,但仍有较大差距。近年来,我国碳纤维产业化进程快速推进,成为少数几个可以生产碳纤维的。但是,与发达相比,我国碳纤维产业仍然存在较大差距,主要表现为:   一是产业化水平有待提高,关键工艺技术还须完善,原辅料及装备水平落后,综合的工艺技术集成能力存在差距。高强中模和高模碳纤维还没有实现产业化,恒张力收丝装置、高温碳化炉、石墨化炉等大型关键设备不能自主制造,进口成本高并受到一定程度的限制。 二是国内部分企业经营困难,普遍存在开工率低、产量小、质量不稳定、成本高等问题,同时根据国内行业发展情况,国际大企业不断降低出口我国市场的碳纤维价格,国内生产企业面临很大竞争压力。   三是低水平重复建设较严重,产业集中度低,重点企业仅有10家,而我国已建、在建的碳纤维企业就有约26家,并且多数企业采用东丽工艺路线,没有实现差异化发展,多数建设的是T300级碳纤维生产线,而大丝束聚丙烯腈基碳纤维和高性能沥青基碳纤维仍然处于空白。

四是产学研用缺乏密切的协作,企业的技术实力弱。上下游企业缺乏深度合作,应用产品标准和设计规范滞后,应用市场亟须培育和开拓。多头管理体制,资金投入强度不足,使用分散。

我国碳纤维产业发展必须坚持“政府引导、市场主导”的发展模式,政府对重大科技攻关事项等进行引导,集中力量攻克关键共性技术,同时尊重市场经济和高科技产业发展的基本规律,发挥市场配置资源的基础性作用,产业化和市场化交由企业自主决策、自主实施。

(二)加大政策资金支持力度

切实落实《加快推进碳纤维行业发展行动计划》的要求,发挥专项资金和重大工程的牵引作用,集中力量突破关键共性工艺和装备,重视新技术、新工艺、新应用的研究开发,形成技术突破和核心专利。制定和完善基于国内产品的产品标准和工程设计规范,建设公共检测和服务平台,打通上下游产业链的关键环节。抑制低水平重复建设,规范市场秩序,推动要素向优势企业和高端项目集中,增强行业和企业的可持续发展能力。

(三)增强企业全产业链竞争优势

碳纤维生产企业不仅要注重提高产品本身的质量性能,同时要高度重视高端装备、专用化学品、高性能树脂以及复合材料设计开发等方面的发展,积极与下游企业联合设计开发产品,主动帮助下游企业发现需求,积极拓宽应用领域,发展量大面广的产品,带动提升质量性能,降低成本,发展高端产品满足重大工程和国防科工的需求,走军民融合的发展道路。根据自身比较优势,提高产业化竞争能力,逐步由提供产品向提供综合性解决方案转变,不断增强全产业链的竞争优势。

(四)加强产学研用合作,提高以企业为主体的创新能力

推动高校、科研院所与企业加强合作,充分利用互补资源,攻克解决生产技术难题,形成技术突破和专利,提高科研成果和专利技术的转化效率,建立以企业为主体的创新体系。为高校和科研机构的科技人才参与企业技术创新活动创造条件,联合培养既精通技术又熟悉行业形势的高端复合型人才,不断壮大企业高层次创新队伍。

(五)推动成立产业联盟,加强运行监测和风险预警   组织重点上下游企业和研发机构,推动成立碳纤维产业联盟,配合政府加强宏观调控,密切关注国内外的发展态势和竞争情况,及时发布行业超新态势,实现信息在行业内共享和交流,引导行业发展。推动企业间的加强合作和资源整合,打造完整的产业链条,推进与国际的交流与合作。

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