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影響中國碳纖維產業發展的關鍵因素

2018-11-29

近年來,我國碳纖維產業化進程快速推進,成為少數幾個可以生產碳纖維的。但是發達重點企業壟斷了市場并實現了產業化,相比之下我國碳纖維產業仍然存在較大差距。總結先進的成功經驗,找到影響我國碳纖維行業產業發展的關鍵因素,是行業突破的前提條件。

我國碳纖維行業整體處于起步階段,關鍵技術裝備以及產品穩定性與發達還存在一定差距。對碳纖維行業進行深入研究,發現影響產業發展的關鍵因素,總結先進的成功經驗,提出適合我國碳纖維行業的發展思路和政策建議,有助于行業實現突破,對于保障重大工程以及國防科工的發展有著重要的戰略意義。

一、從戰略高度看待碳纖維業發展

碳纖維是一種性能優異的戰略性新材料,密度不到鋼的1/4、強度是鋼的5-7倍,并且具有耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數小等特點,廣泛應用于航空航天、能源裝備、交通運輸、體育休閑等領域。碳纖維行業發展需要集成化工、紡織、冶金、材料、裝備等多領域的技術和工藝,可以有效帶動傳統產業和下游產業的轉型升級。碳纖維行業的發展水平可以體現一個的工業基礎、研發實力和管理水平。

(一)戰略性新興產業發展的基礎

碳纖維是為了滿足軍事領域對隔熱、耐燒蝕、輕質高強材料的需求而開發的,是典型的軍民兩用材料,在航空航天、衛星導彈、武器裝備等領域有廣泛的應用,可以滿足先進武器裝備對材料性能指標的要求,在實現武器輕量化和節能化方面有著重要的作用。如美國B1、B2、F22、F117等隱型戰機大量使用碳纖維材料;國產戰斗機、神州飛船也需要高性能碳纖維復合材料制備的關鍵結構件。碳纖維是國防現代化建設不可或缺的關鍵材料之一。

按《新材料“十二五”發展規劃》統計,“十二五”期間,我國風電新增裝機6000萬千瓦以上,新能源汽車累計產銷量將超過50萬輛,大型客機等航空航天裝備的復合材料應用比重將大幅增加。碳纖維復合材料的應用是風電大型化、輕量化的必然趨勢,是新能源汽車實現減重、提高行駛里程的關鍵,可以大幅提高大型客機的燃油經濟性。另外,碳纖維在壓力容器、建筑補強、輸電電纜、高鐵設備等工業領域有很好的應用前景。

碳纖維行業的發展不僅能夠滿足國民經濟和重大工程對高性能材料的需求,還可以推動石化化工、紡織化纖等傳統行業的技術進步和轉型升級,帶動下游的航空航天、機械設備、能源交通等行業的發展,可以推動上下游產業的技術進步,形成上下游產業相互促進、互相推動的格局。碳纖維及其復合材料的應用,可以提高設備、裝備的安全性,實現輕量化,提高燃油的經濟性,減少有毒有害氣體排放。

(二)日美企業產量占八成以上

1974年,日本東麗公司開始生產T300級和M40級碳纖維,之后美、英、德等國也相繼掌握了生產技術。碳纖維早期主要用于航空航天和導彈等軍事裝備。隨著碳纖維性能不斷提升和低成本化的發展,在工業領域的應用逐步占據主導地位。

2011年,聚丙烯腈基碳纖維產能約9.8萬噸,產量約6萬噸,保持了年均約18%的增長速度。日本的產能占57%,美國占24%。生產PAN基碳纖維的重點企業約10家,日本東麗、東邦、三菱、美國赫氏、卓爾泰克、氰特是碳纖維主要生產企業,產量占80%以上,其中日本東麗公司處于******地位,稀有壟斷高端碳纖維市場。2011年碳纖維消費量超過5萬噸,其中工業應用約占60%,包括壓力容器、汽車部件、風電、電子材料和石油、天然氣設備等,其次航空航天約占20%,體育休閑器材約占20%。

從發展趨勢看,隨著碳纖維趨于高性能化,加之成本和價格不斷下降,民用工業用量將繼續保持快速增長,航天航空和體育休閑用量將穩定增加。據行業預測,到2015年,碳纖維產能將達到15萬噸/年,產量約9.5萬噸,消費量約8萬噸。跨國公司將不斷擴大產能,鞏固其壟斷地位,到2015年,日本東麗計劃將產能從目前的1.9萬噸/年增至2.7萬噸/年。新興的很多企業也不斷進入碳纖維領域,如土耳其阿克薩、印度凱馬奧思凱、韓國曉星、泰光和沙特沙比克等公司都加大了碳纖維產業的投資。

(三)我國產業鏈初步建立   長期以來,日、美等發達在碳纖維高端產品、技術裝備等方面對我國進行封鎖或限制性管理。自上世紀60年代以來,我國對碳纖維技術進行了積極的探索,但產業化進程十分緩慢。進入新世紀以來,我國碳纖維行業取得了一系列重大突破,打破了國外的技術封鎖,建立了國產化主流技術,初步建立起技術研發、工程化研究和產業化生產的行業格局。特別是近年來,建立了級的研發平臺,工程化技術日益成熟,千噸級工業化裝置陸續建成并投產,初步建立了從原絲、碳纖維到復合材料及下游制品全產業鏈,為加快產業發展奠定了較好的基礎。

2012年,我國碳纖維產能約1.2萬噸,在建產能約6300噸,產量約2550噸,開工率約22%,表觀消費量約1萬噸,進口碳纖維約8600噸。我國碳纖維應用以體育休閑為主,約占60%,航空航天和工業領域的應用占比較低。我國碳纖維生產企業約26家,分布在14個省區市,江蘇、吉林、遼寧比較集中。其中,具有千噸級(以12K計)規模的企業有4家,分別是山東威海拓展、中復神鷹、江蘇恒神和中國化工。從資本構成看,碳纖維生產企業既包括央企和上市公司,又包括民企和股份公司等。從企業原來從事行業看,既包括與碳纖維生產技術密切相關的石化、化纖、紡織機械,又包括煤化工、工程塑料、冶金等。從技術來源看,碳纖維企業各具特色,包括:中石油吉化長期以自主研發為主;江蘇恒神以引進為主,既引進國外先進的設備,又注重從國內外引進人才;中國化工收購英國Courtaulds公司,部分引進原絲技術;常州中簡、河南永煤和中科院揚州中心的技術來自于中科院山西煤化所,浙江先泰的生產技術來自于中科院寧波材料所,北京化工大學同樣是行業重要的技術支撐力量。

二、碳纖維行業發展四大特征   碳纖維技術研發周期長,對穩定性要求很高。碳纖維屬于技術密集行業,研發周期長,技術壁壘高,需要集成高分子化學、紡絲工藝、高溫冶金、精細化工、復合材料等方面的理論技術和工藝裝備,產業鏈條非常長,關鍵控制點超過3000多個,同時對穩定性有非常苛刻的要求,既要求同時生產的每根、每束性能保持一致,又要求隨著生產周期的延長,性能要保持穩定。在碳纖維發展史上,東麗花了5年的時間專門研發原絲,用了10年時間不斷穩定提升T300碳纖維的性能,1984年研發成功T800碳纖維,近年來才開始大規模生產。

重點企業壟斷市場并實現了產業化。美國注重原始創新,日本擅長精細化生產,在碳纖維產業發展中各具優勢。復雜的工藝流程、高昂的研發費用以及很長的研發周期,使得國際上真正具有研發和生產能力的公司屈指可數。日本東麗公司稀有壟斷高端碳纖維市場,但其他重點企業也各具特色,在原料多元化、合成體系、紡絲技術、絲束規格等方面具備各自的比較優勢。比如,美國氰特除了可以生產PAN基碳纖維外,還可以生產高性能瀝青基碳纖維;美國卓克泰爾在更具前景的大絲束PAN基碳纖維方面,產能處于地位;中國臺灣臺塑技術水平普通,但通過提高效率降低成本等手段,借助自身在塑料領域的優勢,迅速擴張;土耳其阿什卡與陶氏合作,充分利用其在油劑、上漿劑、樹脂、復合材料領域的技術優勢,為未來發展奠定基礎。

應用領域不斷拓展,潛在市場逐步成熟。碳纖維下游應用技術的開發難度較高,碳纖維、樹脂、上漿劑等之間工藝參數必須系統配合,復合材料設計與成型需要一體化,下游領域的應用開發需要較長的研發過程。同時,重點企業壟斷市場,通過國防科工和航空航天等高端市場就可以獲得巨額利潤,缺乏降低價格擴大應用市場的動力。加之研發投入高、生產成本高,碳纖維應用范圍長期局限在一些高端領域。近年來,隨著碳纖維應用成本的下降,應用領域逐步由航空航天、體育休閑等擴展到一般工業領域,風力發電、壓力容器、交通運輸、輸電電纜等領域的應用逐步成熟。為了應對這種趨勢,東麗公司將成本更低的干噴濕法T700級碳纖維作為發展重點之一,收購了美國卓克泰爾,進入了成本更低的大絲束碳纖維領域,擴大單線產能規模以降低成本,建設了公共研發平臺,不斷加強與下游企業的合作研發。   市場和政府在行業發展中發揮了重要作用。碳纖維屬于軍民兩用、政治敏感的戰略性新材料,其早期開發具有濃厚的意志。時至本日,俄羅斯依然沿用前蘇聯模式,主導研發和生產,國有部門負責開發研究生產制造,保障國防科工和重大工程的需求。美國和日本采取以市場為主的模式,主要依靠大企業研發和生產,同時供應民用和國防應用領域。但是碳纖維天然與國防軍工密不可分,企業的背后始終存在的影子。日本通過各種途徑支持本國碳纖維企業發展,將其作為十大戰略性產業之一。美國規定國防軍工所需的重要材料都必須立足于本國生產,波音可以用東麗的碳纖維,國防軍工則采用本國赫氏或氰特的碳纖維,同時對碳纖維高端產品和技術裝備出口嚴格管控。   三、加速中國碳纖維行業發展

(一)基本思路

碳纖維市場的基本特征是寡頭壟斷,與自由競爭的市場經濟有很大區別,同時其技術密集、軍民兩用、政治敏感的特征,使得企業行為的背后始終伴隨著意志。作為發展中,我國碳纖維企業研發實力薄弱,資金資本積累不足,單純依靠市場和企業自身的力量,很難突破國際巨頭的壟斷。另外,從發展中的成功經驗來看,日本和韓國實現現代化的過程中,許多產業都經歷了政府大力推動的過程,之后隨著現代化的深入,政府又逐步轉移經濟主導權。但是政府主導行業發展的模式并不可取,計劃經濟的內在缺陷使企業對市場發展形勢不敏感,缺乏持續創新適應市場的內在動力和基礎,缺乏持續造血的能力。   我國碳纖維行業發展迅速,但仍有較大差距。近年來,我國碳纖維產業化進程快速推進,成為少數幾個可以生產碳纖維的。但是,與發達相比,我國碳纖維產業仍然存在較大差距,主要表現為:   一是產業化水平有待提高,關鍵工藝技術還須完善,原輔料及裝備水平落后,綜合的工藝技術集成能力存在差距。高強中模和高模碳纖維還沒有實現產業化,恒張力收絲裝置、高溫碳化爐、石墨化爐等大型關鍵設備不能自主制造,進口成本高并受到一定程度的限制。 二是國內部分企業經營困難,普遍存在開工率低、產量小、質量不穩定、成本高等問題,同時根據國內行業發展情況,國際大企業不斷降低出口我國市場的碳纖維價格,國內生產企業面臨很大競爭壓力。   三是低水平重復建設較嚴重,產業集中度低,重點企業僅有10家,而我國已建、在建的碳纖維企業就有約26家,并且多數企業采用東麗工藝路線,沒有實現差異化發展,多數建設的是T300級碳纖維生產線,而大絲束聚丙烯腈基碳纖維和高性能瀝青基碳纖維仍然處于空白。

四是產學研用缺乏密切的協作,企業的技術實力弱。上下游企業缺乏深度合作,應用產品標準和設計規范滯后,應用市場亟須培育和開拓。多頭管理體制,資金投入強度不足,使用分散。

我國碳纖維產業發展必須堅持“政府引導、市場主導”的發展模式,政府對重大科技攻關事項等進行引導,集中力量攻克關鍵共性技術,同時尊重市場經濟和高科技產業發展的基本規律,發揮市場配置資源的基礎性作用,產業化和市場化交由企業自主決策、自主實施。

(二)加大政策資金支持力度

切實落實《加快推進碳纖維行業發展行動計劃》的要求,發揮專項資金和重大工程的牽引作用,集中力量突破關鍵共性工藝和裝備,重視新技術、新工藝、新應用的研究開發,形成技術突破和核心專利。制定和完善基于國內產品的產品標準和工程設計規范,建設公共檢測和服務平臺,打通上下游產業鏈的關鍵環節。抑制低水平重復建設,規范市場秩序,推動要素向優勢企業和高端項目集中,增強行業和企業的可持續發展能力。

(三)增強企業全產業鏈競爭優勢

碳纖維生產企業不僅要注重提高產品本身的質量性能,同時要高度重視高端裝備、專用化學品、高性能樹脂以及復合材料設計開發等方面的發展,積極與下游企業聯合設計開發產品,主動幫助下游企業發現需求,積極拓寬應用領域,發展量大面廣的產品,帶動提升質量性能,降低成本,發展高端產品滿足重大工程和國防科工的需求,走軍民融合的發展道路。根據自身比較優勢,提高產業化競爭能力,逐步由提供產品向提供綜合性解決方案轉變,不斷增強全產業鏈的競爭優勢。

(四)加強產學研用合作,提高以企業為主體的創新能力

推動高校、科研院所與企業加強合作,充分利用互補資源,攻克解決生產技術難題,形成技術突破和專利,提高科研成果和專利技術的轉化效率,建立以企業為主體的創新體系。為高校和科研機構的科技人才參與企業技術創新活動創造條件,聯合培養既精通技術又熟悉行業形勢的高端復合型人才,不斷壯大企業高層次創新隊伍。

(五)推動成立產業聯盟,加強運行監測和風險預警   組織重點上下游企業和研發機構,推動成立碳纖維產業聯盟,配合政府加強宏觀調控,密切關注國內外的發展態勢和競爭情況,及時發布行業超新態勢,實現信息在行業內共享和交流,引導行業發展。推動企業間的加強合作和資源整合,打造完整的產業鏈條,推進與國際的交流與合作。

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