日本碳纤维产业发展及现状

徐爱武

（连云港市纤维检验中心，江苏 连云港 222047）

1 碳纤维简介

碳纤维是由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量超过90%的无机纤维[1]。碳纤维质量较轻，外柔内刚，具有密度低、强度高、模量高、抗疲劳、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀、导热、导电、良好的电磁屏蔽以及较低的热膨胀系数等诸多的优良性能，同时其外形有显著各向异性、柔软及可加工成各种织物，是一种新型高性能纤维材料，能够以复合材料的形式极大减轻构件重量，提高其多项技术性能，尤其受到军工兵器、军用飞机等军工行业的极大青睐，同时在追求提高燃效、延长电动汽车续航里程为目标的汽车领域，碳纤维需求也在全球呈扩大之势，在燃料电池车的氢燃料罐及加氢站的贮氢罐方面，碳纤维也将得到广泛应用，在其他如航空航天、风力发电、工程机械、交通设施、建筑补强等诸多领域也有着广泛的应用，尤其是航空航天飞机需要面对各种复杂恶劣的天气环境，因此他们对碳纤维及其复合材料的各项性能要求比汽车和其他一般行业更高，也更加迫切。因为其良好性能及广泛用途，碳纤维被称为21世纪的“黑色黄金”。世界上目前用于制备碳纤维的前驱体很多，如黏胶纤维、沥青、聚丙烯腈（PAN）、聚酰亚胺、聚苯并噻唑等，但目前为止，能达到工业规模的仅有PAN基碳纤维、黏胶基碳纤维和沥青基碳纤维三种,尤其是PAN基碳纤维占据主要地位。

2 世界碳纤维产业格局

世界碳纤维的生产主要集中在日本、美国等少数发达国家，目前世界上PAN基碳纤维生产企业主要有八家，其中日本三家：东丽工业株式会社（以下简称“东丽”）、日本三菱丽阳株式会社（以下简称“三菱丽阳”）和日本东邦化学工业株式会社（以下简称“东邦”），日本是全球最大的碳纤维生产国，其三大碳纤维生产企业合计拥有全球PAN基碳纤维50%以上的市场份额；美国两家：赫氏有限公司、美国氰特工业公司，美国也是世界上少数掌握碳纤维生产技术的国家之一，同时又是世界上最大PAN基碳纤维消费国，其消费量约占世界消费总量的三分之一；其他有土耳其一家：阿克萨集团，德国一家：德国西格里碳素集团以及中国台湾的台湾塑料工业股份有限公司，沥青基碳纤维生产企业主要有美国氰特、三菱丽阳和东丽三家企业[2]。

目前，日本和美国不仅占据了世界主要的碳纤维产能，而且还不断加大研发投入持续扩大产能，兼并收购其他生产企业，不断巩固其领先地位。由于碳纤维生产过程对技术要求较高，其利润率也较高，日本和美国等碳纤维主要生产企业采取严格的技术封锁，日本目前可以生产T1400的碳纤维是其他国家生产不了的，其他国家完全掌握其生产的核心技术还需要一段时间，这一垄断格局暂时还很难打破。目前，世界碳纤维技术尤其是新近开发的先进技术主要掌握在日本东丽、东邦、三菱丽阳三大碳纤维生产企业，其他国家基本上处于追赶阶段，距离日本的碳纤维技术尚有一定差距，日本三家公司生产的碳纤维无论质量还是产量均处于世界领先地位，尤其是东丽实业更是世界上高性能碳纤维研究与生产领域的“领头羊”。

由于碳纤维及其复合材料在国防和民生中的重要作用，许多国家开始重视对碳纤维及其合成材料研发及生产。韩国、印度等国家碳纤维已经实现量产，我国政府也将碳纤维列为国家重点支持的新兴产业，我国碳纤维研究与日本同时起步，但由于受到各种条件的制约进展缓慢，直至近几年，我国碳纤维产业进入大爆发时期，目前已经初具规模，已先后突破了T700、T800等高性能碳纤维的千吨级产业化，2019年，中复神鹰实现了干喷湿纺T1000级超高强度碳纤维工程化，标志着我国碳纤维生产技术水平又上了一个台阶。经过近几年的追赶，国产T700S-12K小丝束碳纤维的复丝拉伸强度与模量达到同级别东丽碳纤维性能[3]，与世界碳纤维先进技术水平的差距在逐渐缩小。

3 日本碳纤维产业现状

20世纪50年代末开始，日本开始碳纤维研究，60年代初，研发高性能PAN基碳纤维获得成功。因为性能优异，成本昂贵，早期的碳纤维主要在军工方面有少量需求，随着对PAN基碳纤维需求的增加，日本各个公司均开始跻身于碳纤维研发和生产。为了能够掌握PAN基高性能碳纤维行业话语权，控制技术及掌握碳纤维市场竞争主动权，1975年起，日本开始启动规模化生产PAN基碳纤维技术标准研究与制定，1980年，日本颁布实施碳纤维性能检测方法标准，这一标准的颁布实施，为PAN基高性能碳纤维批量生产和应用搭建了技术平台，极大的提升了日本碳纤维生产企业的竞争力[4]。

目前，日本是碳纤维技术最先进的国家。日本一方面通过在高性能PAN基碳纤维、沥青基碳纤维等投入大量的资金和人力，持续提高碳纤维技术含量和生产水平，另一方面通过扩大投资、建设新工厂或进行业务收购，进一步巩固其在该领域遥遥领先的地位。

日本东丽、三菱丽阳和东邦三大公司的碳纤维产量占全球市场份额超过一半，是世界上技术先进、产量靠前、产品质量稳定的企业，比较具有代表性，本文将以这三家公司为代表进行介绍，希望通过了解这三家企业的成长路径，以发现并学习到一些有益的经验。

3.1 东丽

东丽是世界最大的碳纤维制造企业，其生产的碳纤维综合竞争力全球排名第一，其碳纤维产量和碳纤维生产技术均位于世界前列，其产品质量也是碳纤维行业标杆，经常被用来同其他碳纤维产品相比，许多生产厂家也常常以碳纤维产品质量能够赶上或者超过东丽的同级产品质量而自豪，其碳纤维产品占全球市场份额的40%左右，而且还占据着世界碳纤维行业顶端产品，是世界上碳纤维行业的领先者。

1970年，东丽依靠自己先进的PAN原丝生产技术，通过与美国联合碳化物公司交换技术，研究开发出高性能PAN基碳纤维，随后开始量产PAN基碳纤维，并不断提升技术，提高产量，增强产品性能，开发新产品[4]。到1982年，东丽碳纤维的生产工艺技术已经取得重大突破，能够生产出高强、超高强、高模、超高模、高强中模以及高强高模等类型的碳纤维产品。1987年，东丽已经开始试生产销售T1000高性能PAN基碳纤维，碳纤维的应用开发进入一个新的高水平阶段。

进入21世纪，碳纤维行业又迎来了发展的黄金时期，随着下游碳纤维应用需求不断扩大，东丽一方面不断扩大产能，另一方面也不断开发新技术，提高产品质量。2016年，东丽联合日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）等多家科研机构成功研发出新的碳纤维生产工艺，该工艺将极大提高碳纤维生产速度，达到原生产速度的10倍。新工艺流程减少了生产工序，缩短了时间，提高了生产效率，采用低价位PAN作为原料，降低碳纤维生产成本，还大量减少了能源消耗，更加符合日益严格的环保要求，与原有工艺相比，新工艺生产的碳纤维在伸长率及弹性模量等个别指标方面性能有所下降，但是完全能够满足下游对碳纤维性能方面的要求，最关键的是产量能够大幅增加，可以满足下游市场日益增加的需求。

近两年，东丽碳纤维生产技术上持续取得重大突破，在保持碳纤维弹性模量的同时提高强度，这是碳纤维性能中往往难以兼顾的。东丽开发出新型碳纤维，其在保持了同现有产品同等弹性模量的基础上提高了碳纤维的强度，在复合材料中即使减少碳纤维使用量，后道成型产品的性能也能维持原来水平，还可以减轻成品质量。目前，东丽已经开始量产这一新产品，该产品可以用于卫星、火箭及飞机发动机部件等。

为了不断扩大市场，东丽在不断发展的同时，也通过不断兼并收购来壮大自己。东丽一方面在本土和海外不断扩建新的生产线，同时还不断进行收购，2013年，东丽收购美国卓尔泰克公司，后者是世界上大丝束碳纤维的主要生产商，具有较大的成本优势，通过此次收购，东丽成为了全球唯一的一家超级碳纤维生产企业，将其他碳纤维生产竞争对手远远的甩在了后面，此次收购进一步巩固了东丽在世界碳纤维行业的领先地位[5]。随后几年，东丽又先后收购了意大利Saati公司在欧洲的碳纤维织物和预浸料业务，荷兰昙卡先进复合材料有限公司等公司的碳纤维生产业务，逐步建立起自己的碳纤维产业供应链，扩大自己在碳纤维行业的市场份额，巩固自己碳纤维行业的霸主地位。

3.2 三菱丽阳

三菱丽阳属于日本三菱化学集团，是日本三大碳纤维生产企业之一，也是世界上碳纤维主要生产企业之一，是世界上同时具备PAN基碳纤维和沥青基碳纤维生产能力的为数不多的企业之一，在日本、美国和德国等国家均有碳纤维生产基地。

1983年，三菱丽阳开始工业化生产碳纤维。由于丙烯腈纤维是三菱丽阳的主要产品之一，PAN基碳纤维以丙烯腈纤维为原料，因此，三菱丽阳可以从丙烯腈的合成、聚合、原丝、碳纤维到成品一条龙进行生产[6]。同时，三菱丽阳具有雄厚的研发能力、丰富的纤维生产技术及先进的生产设备，这些优势使三菱丽阳不断提升从原料到成品的生产技术和生产工艺，其碳纤维产品品质持续优化改进。

三菱丽阳一直致力于开发碳纤维新产品的应用领域，不断扩大碳纤维的应用链。经过不断的技术积累和科技研发，2011年，三菱丽阳生产的大丝束碳纤维，其产品性能、均匀性等多项性能指标均达到小丝束碳纤维的水平，与小丝束碳纤维相比，大丝束碳纤维具有更低的成本，此次改良后的大丝束碳纤维其成型性和加工效率比以前有很大提高，能够充分发挥大丝束碳纤维的性能优点。

为了扩大市场份额，重点抢占汽车领域的碳纤维使用，提高燃效、延长电动汽车续航里程。2014年开始，三菱丽阳开始扩大其位于美国分厂的碳纤维产量。2015年，三菱丽阳与三菱树脂将其相关的碳纤维及复合材料业务进行合并重组，三菱树脂的业务以沥青类碳纤维为主，沥青类碳纤维性能特点是拉伸弹性模量高，优势是价格低，三菱丽阳的业务以PAN类碳纤维为主，PAN类碳纤维主要特点是拉伸强度高，两家公司业务的整合，使三菱丽阳成为少数几家同时具有沥青类碳纤维及PAN基类碳纤维生产能力的企业之一。三菱丽阳希望通过技术改进，研究出能够兼容这两类碳纤维优点的新型产品，大幅度提高刚性并实现轻量化。随后几年，三菱丽阳先后收购了美国的Gemini复合材料公司、德国SGL集团位于美国的碳纤维生产企业等公司的碳纤维业务，并逐步扩大位于日本本土的碳纤维产能，用于满足日益增长的碳纤维需求。

3.3 东邦

日本东邦隶属于帝人集团，是日本三大碳纤维生产商之一，尤其是在小丝束PAN基碳纤维生产方面具有明显优势，是世界上著名的碳纤维生产企业，在日本、美国、德国等多个国家都建有其碳纤维生产基地。

1973年东邦人造丝（现在的东邦）开始工业生产PAN基碳纤维，此后，不断研发新技术，开发新产品[6]。到1982年，东邦已经可以生产高强、高模、超高强、超高模、高强中模以及高强高模等各种性能的高性能碳纤维产品，其碳纤维生产技术和生产工艺不断改进，在拉伸强度和模量等碳纤维的主要性能方面有了重大突破，这一重大突破促使东邦公司在碳纤维的应用开发和生产进入了高水平阶段，奠定了东邦在世界碳纤维生产行业的领先地位。

在经历了碳纤维行业低谷之后，进入21世纪，东邦碳纤维业绩逐步恢复，出于对碳纤维未来行情的乐观预测，自2003年开始压缩其他业务，扩大碳纤维生产，加大科技研发投入，提高碳纤维产量的同时，提高产品的技术含量和质量的稳定性，东邦一方面扩大自己产能，同时也不断加快海外并购步伐，其碳纤维业务不断扩展。2015年，为了抢占碳纤维下游应用市场业务，东邦对其碳纤维下游复合材料相关部门业务进行了重新整合，将原本分散的碳纤维复合材料的各个部门重新进行业务整合成一个整体，加强其碳纤维增强复合材料业务，希望能够大举进军汽车领域。

2018年，其子公司帝人碳纤维公司位于美国南卡罗来纳州生产基地的碳纤维生产企业开始投资建设，其目的是为了加强全球上下游碳纤维业务，并不断努力扩大其市场份额，同时加强新技术的研发，减少环境污染，以适应各个国家日益严格的环境保护的相关法律法规，这些都将进一步巩固东邦在碳纤维行业地位。

4 小结

日本碳纤维多年以来一直在技术、产量和产品品质上位居世界前列，在世界上遥遥领先，原因是多方面的，一是政府的重视与大力支持，从政策及人才经费上大力扶持碳纤维行业；二是日本几个大型碳纤维生产企业之间形成产业联盟，共同开展技术攻关；三是企业自己重视研发投入，不断研发出新产品，持续提高碳纤维性能；四是其研发的新技术很快申请专利，形成专利保护，对技术严格封锁；五是重视上下游产业链的结合，不仅研发出高品质的碳纤维，而且还同下游企业进行技术合作攻关，不断拓展碳纤维下游使用领域，扩大其碳纤维占有的市场份额，提前锁定下游客户。

他山之石，可以攻玉，希望能够借鉴日本碳纤维产业发展的经验，加强我国碳纤维研究的“产学研检用”融合，形成上下游碳纤维及复合材料产业链整体合力，共同促进碳纤维技术不断创新，产业快速发展壮大，实现赶超。