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日美封锁40年!中国大飞机背后的碳纤维产业

发布时间:2022-10-03 07:53:14 来源:华体会下载苹果 作者:华体会赛事
  

  12月26日,中国AG600“鲲龙”1003架机在珠海实现总装下架,这是一种大小近似于波音737水陆两栖飞机,机长36.9米,翼展38.8米,搭载4台涡桨-6发动机,可运输49吨重物,航速480KM/H,续航12小时,可参与半径864海里范围内的救援活动,一次救助可载50人,抗浪2米,20秒内可汲水12吨。在我们对外公布的信息中,鲲龙主要用于灭火、救援和播撒等工作,而美国媒体则大肆渲染,该机部署后可在4小时内到达南海海域的任何地方。当然至于这架飞机真正用到什么地方,那又是另外一个故事。与一般飞机不同,两栖飞机长期在海面起降,除了要求机身高强度、低密度、耐高温,还要求耐腐蚀,一般的钢材根本不行,那究竟什么样的材料能够满足呢?

  时间回到1959年,美国和苏联在太空领域的竞争非常激烈,NASA急需一种耐高温、耐烧蚀、耐氧化、强度大、密度低的材料。这个时候美国联合碳化合物公司UCC为NASA送来了一种名为Thornel-25的材料,这是一种比木头更轻、比钢材更硬、比铂金更耐腐蚀、像钢铁一样有弹性,向上受的了3000度的高温,向下忍得住-180度的严寒,急冷急热都不会炸裂的的新型材料,一经问世就被美国应用到火箭、战斗机等前沿领域。而在今天它有一个比我们更熟悉的名称:碳纤维。

  当时的碳纤维虽然有无数优点,但缺点非常致命:它太贵了,贵到比同等重量的黄金还贵,出了实验室连美国人也用不起。所以他们迫切的需要一种降低生产成本,可以大规模生产的方法。UCC的技术碳化收率太低了,只有20%。按照黏胶基分子式,碳原子的比重要在44%左右,也就是说理论上碳收率最高可以到44%,但是在碳化的过程中,有一半的碳原子会与氧、氢、氮反应,降低碳收率的同时,也降低了黏胶基碳纤维的性能。

  美国人的探索引起了日本的兴趣, 2年后大阪工业试验所的进藤昭男发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维制备技术,将碳化收率一举提升到60%,性能也远远优于黏胶基碳纤维,具有一定延展率。更低的成本,更高的性能,日本人的技术一下就火了,一举挤垮美国的黏胶基碳纤维占据了90%的市场。日本东丽公司于1971年与UCC合作建厂,实现了年产量12吨的规模。之后经过不断开发,推出了大到汽车小到球拍的各种碳纤维产品,一举成为今天世界上最大的碳纤维材料生产商。今天世界上的碳纤维从技术路线上可以分为三大类,分别是日本的聚丙烯腈基碳纤维,占据90%的市场份额;沥青基碳纤维,占据8%的市场份额;和美国的黏胶基碳纤维,占据1%市场份额。前两者广泛应用于汽车、航空、航天、建筑、保温、体育用品等领域,而后者则据守电磁防护和静电防护领域。

  碳纤维与其他产业不同,是一种先进的基础材料。可以造航天飞机、科技和战斗机,也可以造汽车、建筑、风电叶片、保温材料,还可以造球拍和鱼竿等小物件。由于其军民两用的特殊性,美国对于碳纤维技术进行了严密的封锁,尤其是针对中国。根据瓦森纳安排,任何向中国出售碳纤维技术和产品个人和组织,美国都有权进行逮捕。可以说如果中国自己没有实现技术突破,哪怕到今天,国内的富二代们也开不上碳纤维的兰博基尼,国内的健身馆也用不上碳纤维的羽毛球拍,国内的垂钓爱好者们也用不上碳纤维的鱼竿。所以中国如果想要碳纤维材料,只能靠自己。为此,国家先后设立了多轮973专项,明确PAN原丝作为突破口;设立PAN碳纤维独立考评机制;构筑共享共用的表征测试平台;建立了战略调研、专利和技术信息共享机制,誓要突破美国和日本的技术封锁。

  2002年,吉林石化公司和长春工业大学承担了吉林省重点高技术攻关项目“T300碳纤维及原丝的稳定生产关键技术”研究任务,用时2年,一举突破了T300碳纤维及原丝的稳定生产关键技术,在吉林石化建成小丝束聚丙烯腈(PAN)原丝中试装置,年产量10万吨。成功解决了国产高性能碳纤维“有无”问题,缓解了国防建设对结构材料用国产高性能碳纤维极为迫切的需求。

  到2005年,中国基本追平日本东丽,实现了碳纤维的稳定自主生产。之后碳纤维才开始在中国逐步形成产业,军工领域之外,如球拍、鱼竿等民用级碳纤维产品出现在市场上,走入国人的生活中。

  上游:石油、轻油、丙烯、丙烯腈、聚丙烯腈。主要供应商是中石化、东华能源、卫星石化和万华化学。

  中游:中间品包括碳纤维原丝、碳纤维、碳纤维织物、预浸料和复合材料。主要供应商包括光威复材、精功科技、双一科技、中复神鹰、吉林化纤、恒神股份等企业。

  下游:而碳纤维的下游应用则更加广泛,如航空航天、风电叶片、汽车制造、轨道交通和体育器材等。

  虽然中国在2002年自主突破了碳纤维生产技术,但是早期产品单一,且产能有限。日本在这一时期陆续放开了对中国碳纤维材料的出口,但是在一个缺少竞争的市场中,日本人表现的十分傲慢。1981年,波音公司的设计师在理论中提出需求高强度、大伸长的碳纤维,作为制造大型客机的一次结构材料。也就是说,新一代的波音飞机上将不会出现任何拼接,焊接的工艺,而是由又轻、又结实、耐腐蚀、耐烧灼且具有延展性的碳纤维材料一体成型。为此日本东丽公司研发出T800H碳纤维,拉伸模量高达690GPa,是目前PAN基石墨纤维中最高的,是今天制造A380和B787的主要增强纤维。随着航空公司订单的增加,2000年前后日本开始有限保障波音等航空企业的订单。而对中国企业的态度概括起来就是十个字:通识性涨价,赏赐性供给。什么是单边霸权?这就是单边霸权!我不仅涨价,卖不卖给你还看你哄的我开不开心!在这样的背景之下,以威海光威为代表的一批企业开始摸索自己生产碳纤维。这些企业一开始可能只是想自己造鱼竿、造球拍、造汽车的时候不用看日本人的脸色,但是没想到攻克的却是国家级的技术课题。2005年4月,和吉林石化几乎同时,威海光威的CCF-1碳纤维通过863计划验收,达到世界先进水平。

  从规模角度看,目前全球碳纤维市场规模约为106.9万吨。作为一种高技术壁垒的新材料,应用范围十分广泛。其中29%风电、15%航空航天、14%体育休闲、12%汽车、9%混配摸成型、8%压力容器、5%碳复材、4%建筑材料,还有电缆芯、船舶、电子电器、静电辐射防护等领域各占1%左右。经过美国和日本长达40年的垄断,中国作为后来者奋起直追,从全球范围来看,中国、美国和日本三国产能分别为4.50万吨、3.73万吨和2.92万吨,占全球总产能6成以上,已经成为全球第一大碳纤维生产国。

  但是从行业角度看,日本和美国依旧占据主导地位,竞争优势明显。国产碳纤维质量难以提升的根本在于上游PAN原丝的制备工艺差异。PAN原丝作为碳纤维的主要制备材料,其质量能够在品质、成本、和产量三方面影响碳纤维的生产制造。对于现代碳纤维生产,要求喂入丝束数量在100以上,且细度均匀稳固,而品质较低的PAN原丝则会在生产过程中出现缠结、断丝等情况,不仅难以稳定生产,还加大了生产损耗,提高生产成本。除此之外,高纯度原丝可以将碳纤维的天然缺陷性降低到最小,而国产原丝的碱、碱土金属、铁都远高于国外原丝,在纤维碳化过程中杂质逸走形成空隙,从而使制得碳纤维稳定性不足。中国碳纤维工业化生产技术主要集中在T300、T700系列,近90%的国产碳纤维产品仍属于中低规格的通用型级别,难以满足现代国防和高端工业领域的需求。具体一点说,2020年,风电领域用的碳丝进口依赖度85%。

  除了技术、产能上行业竞争也很激烈。2020 年,碳纤维运行产能前五大公司日本东丽 Toray(包括收购的美国卓尔泰克Zoltek)产能5.45万吨、德国西格里SGL产能1.50万吨、日本三菱丽阳MRC1.43万吨、日本东邦Toho1.26万吨、美国赫氏HEXCEL1.02 万吨,前五家公司合计产能 10.66万吨,占全球总产能的 62%。我国国内碳纤维企业主要以中复神鹰、恒神股份、光威复材等企业为主。2020年全世界增加的产能主要是卓尔泰克在匈牙利的5000吨/年产能,以及碳谷+宝旌增加的2000吨,中复神鹰增加的2000吨,光威增加的2000吨,晓星公司增加的2000吨。

  目前国际先进工艺生产碳纤维的碳收率是65%~85%,而我国平均只能到45%。同时由于开工不足、损耗率较高、计量方式有区别等因素,我国平均开工率不足30%。但是随着全球范围内风力发电和新能源汽车的快速增长,尤其是新能源汽车的电池盒需求量暴增,碳纤维行业的需求也将会越来越大。随着汽车轻量化和风力发电的不断发展,全球的碳纤维在工业领域的应用将越来越多。虽然目前我们风电领域所需的碳纤维80%依赖进口,但是毕竟被日美垄断了40年。从无到有,从弱到强是所有产业的必经之路。与芯片一样,道阻且长,但是行则将至。

  最后剪视频的妹子说,碳纤维技术发展到尽头,是不是我们的房子家具都可以用钻石做啊?


  

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