或將帶動千億級復合材料市場規模
國產“大絲束”開啟碳纖維產業新藍海
大絲束碳纖維的每一根絲束都有4.8萬根纖維，每一根纖維的直徑只有頭發絲直徑的1/7到1/8。上海石化研發生產的大絲束碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。其力學性能優異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的7—9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。
(資料圖片)
碳纖維是新一代增強纖維，被稱為“新材料之王”“黑黃金”，可廣泛應用于航空航天、能源裝備、交通運輸、體育休閑等領域。按絲束規格的不同，可以將其分為小絲束碳纖維和大絲束碳纖維。長期以來，我國主要在小絲束碳纖維方面實現了突破。隨著我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產線在中國石化上海石化碳纖維產業基地投料開車，并生產出性能媲美國外同級別產品的合格產品，我國大絲束碳纖維也從關鍵技術突破、工業試生產、產業化，成功走向規模化和關鍵裝備國產化，一舉破除了我國碳纖維生產和裝備受制于人的被動局面。
發展“大絲束”可降低碳纖維成本
眾所周知，碳纖維是新能源、節能環保、高端裝備制造、新能源汽車等戰略性新興產業發展的基礎，也是重大基礎設施建設的新型結構材料，更是大型飛機、衛星、船舶等裝備研制和更新換代的重要基礎。
在業內，通常將每束碳纖維根數大于4.8萬根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維。
“它每一根絲束都有4.8萬根纖維，每一根纖維的直徑只有頭發絲直徑的1/7到1/8。我們把碳纖維從特制的像花灑一樣的紡絲噴頭中噴出、擠出后，再對其進行像拉面條一樣的牽伸就形成了大絲束碳纖維原絲。”中國石化上海石油化工股份有限公司（以下簡稱上海石化）碳纖維事業部副總經理李鵬介紹。
目前，國內每束碳纖維基本處于1000根至1.2萬根之間，這樣的碳纖維被稱為小絲束碳纖維。但是由于小絲束碳纖維成本高，影響了下游企業應用碳纖維的積極性。
“我們發現如果要推廣碳纖維實現工業化的應用，一定要發展‘大絲束’。”上海石化副總經理黃翔宇強調，我們在開發過程中發現48K大絲束碳纖維的優勢是在相同的工藝條件下，能夠大幅度地提高碳纖維的單線的生產能力，如果控制得好，它的質量性能也能得到保證，這樣就能夠實現低成本，從而打破了碳纖維高昂價格帶來的應用局限。
用“中國技術”生產性能優異的碳纖維
碳纖維技術有著森嚴的技術壁壘，此前大絲束碳纖維生產技術主要掌握在美國、德國、日本的幾家大公司手中。中國石油化工集團有限公司（以下簡稱中國石化）是國內第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術的企業。
大絲束碳纖維研發難在哪？上海石化相關技術負責人介紹，主要難點包括大絲束碳纖維制備過程中氧化反應放熱的有效控制、一束絲4.8萬根碳纖維的紡絲均勻穩定性控制，以及生產線連續運行周期和穩定性。
黃翔宇介紹，為了在大絲束碳纖維制備中真正用上“中國技術”，上海石化從裝備到工藝，為大絲束碳纖維量身定制了專用生產線，如根據大絲束碳纖維的生產要求自行設計氧化爐、碳化爐，不僅成功掌握了控制溫度場的關鍵技術，而且進行了節能型設計，可實現能源綜合利用。
此外，上海石化采用聚合物分子鏈結構調控技術獲得良好熱性能原絲，系統研究紡絲原液流變性能保證原絲質量穩定性，開發特殊的連續生產技術，大大減少停車次數，極大提高生產效率。
上海石化研發生產的大絲束碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。其力學性能優異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的7—9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。
國產大絲束碳纖維已開始產業化布局
上海石化首條48K大絲束碳纖維國產線可實現規模化、高品質生產。該項目計劃于2024年全部建成投產，屆時將達到2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年大絲束碳纖維產能。
自主研發大絲束碳纖維生產線投產，將給整個碳纖維市場帶來哪些影響？專家分析，首先隨著碳纖維國產化的不斷推進，對市場最大的影響是進口碳纖維價格的下降。
數據顯示，隨著國內碳纖維國產化的推進，進口碳纖維價格預計將從最高每噸4.5萬美元降至每噸1萬美元左右，這對于全產業鏈應用來說是一個利好消息。
數據顯示，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬噸，其中大絲束碳纖維需求量為51400噸，占比約43.5%。2021年我國碳纖維需求量達到6.24萬噸，較2020年增加27.7%，占全球碳纖維需求量的53%。專家表示，碳纖維在新能源、風電、光伏、汽車、體育用品等下游市場的應用需求將逐漸爆發, 滲透率不斷提升。
業內專家稱，中國碳纖維行業正處于快速發展階段，根據目前各企業已宣布的投資擴產計劃，如果所有建設項目可以順利投產落地，“十四五”末期，中國新增碳纖維產能將達21萬噸以上，其中新增大絲束碳纖維產能達17.6萬噸，中國大絲束產能擴張時代將隨之開啟。
科技日報記者了解到，中國石化實現大絲束碳纖維量產之后，已經開始尋求和新能源汽車企業的合作，通過使用輕量化的碳纖維零部件，增加新能源汽車的續航里程。
“我們和蔚來有框架合作協議，和比亞迪也有合作。我們在做汽車輕量化的工作，已經進入了產業化布局。”中國石化首席專家莊毅說。
中國復合材料工業協會秘書長孟弋潔表示，2030年，我國大絲束碳纖維產值應該能達到500億元量級，將帶動千億級的復合材料市場規模。
除了大絲束碳纖維的研發和生產，中國石化也正大力推進碳纖維復合材料的研發和應用。中國石化有關負責人表示，在未來的碳纖維產業發展中，中國石化將在科研方面繼續加大投入，產業方面加快布局，機制體制方面深化創新，應用場景全面推廣，同時，堅持走自己的道路，做自己的特色產品。在“十四五”末，中國石化將在多種工藝流程實現通用級、大絲束、小絲束、高性能等產品的全面突破，進行總體布局，滿足國家各個領域的需求，為引領和推動中國碳纖維產業發展作出貢獻。（記者 操秀英）
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全球碳纖維需求量持續增長
根據賽奧碳纖維《2016—2021全球碳纖維復合材料市場報告》，從全球的維度來看，碳纖維需求量從2016年的7.65萬噸增至2021年的11.8萬噸，復合年均增長率（CAGR）為9.02%，2021年同比增速從2020年的3.05%提升至10.42%，2025年預計全球需求量達20萬噸。從國內的維度來看，碳纖維需求量從2016年的1.96萬噸增至2021年的6.24萬噸，CAGR為26.06%，2021年的同比增速高達27.69%，2025年預計國內需求量為15.93萬噸。從應用領域來看，2021年全球和國內碳纖維的主要應用領域均是風電葉片。2021年全球碳纖維需求量占比前三的領域分別是風電葉片（27.97%）、體育休閑（15.68%）和航空航天（13.98%）；而國內占比前三的領域分別是風電葉片（36.07%）、體育休閑（28.05%）和碳/碳復材（11.22%）。風電葉片、體育休閑、航空航天、碳/碳復材等領域的需求占據了碳纖維市場需求的主要部分。
