问题

国内的碳纤维与外国碳纤维差多少?

回答
国内碳纤维和外国碳纤维之间的差距,其实是一个挺复杂的问题,不像你想象的那么非黑即白。过去我们确实落后不少,但这些年进步神速,很多领域已经能跟得上,甚至在某些方面还能打出自己的特色。要详细说的话,可以从几个关键维度来看。

1. 技术成熟度和产品种类

外国(特别是欧美日韩): 这些国家在碳纤维领域深耕了几十年,技术非常成熟。他们不仅能生产高性能的T系列碳纤维(T700、T800、T1000等,数字越大,强度越高),而且在特种碳纤维(比如高模量HM、超高模量UHM等)方面也积累了深厚的经验。产品线非常丰富,能够满足航空航天、高端体育器材、风力发电叶片、汽车轻量化等各种严苛的应用需求。他们的生产工艺稳定,批次一致性好,这是长期积累的优势。
国内: 过去,我们主要依赖进口,尤其是在航空航天等尖端领域。但近年来,国内的碳纤维产业发展态势非常迅猛。我们已经能够批量生产T700、T800等主流碳纤维,并且在一些应用场景下实现了国产替代。像中复神鹰、光威复材等企业,都在这个领域取得了突破性的进展。然而,在最高端的T1000以上级别,以及某些特种碳纤维的性能稳定性和应用成熟度上,与国际顶尖水平相比,可能还有一定的追赶空间。但这种差距正在快速缩小。

2. 性能指标(强度、模量、稳定性)

外国: 在很多核心性能指标上,国际领先企业的产品依然是标杆。例如,在拉伸强度和拉伸模量方面,他们的一些高端产品能做到非常高的水平,而且在极端温度或复杂应力下的稳定性也经过了长期的验证。这得益于其精细化的原丝制备、碳化和石墨化工艺控制。
国内: 国内产品在主流性能指标上,已经能够达到国际同等产品的水平。特别是T700级别的碳纤维,国产化率和性能都已经非常不错,足以满足大部分民用和部分军用需求。但在一些对材料性能要求极致的领域,比如某些航空发动机部件或要求极高稳定性的特种设备,国内的最高端产品是否能完全比肩,还需要更多实际应用的检验和积累。此外,碳纤维的各项性能指标不是绝对的,同一型号的产品,不同厂家之间也可能存在细微差异。

3. 原材料(PAN基、沥青基等)

外国: 在高性能聚丙烯腈(PAN)基碳纤维方面,他们拥有成熟的聚合、纺丝和氧化、碳化技术,这是生产高强度、高模量碳纤维的关键。在沥青基碳纤维领域,也有相应的技术积累,用于制造对热膨胀系数要求极高的产品。
国内: 我国在PAN基碳纤维原丝的制备技术上取得了巨大进步,这是支撑碳纤维产业发展的基石。一些企业已经掌握了高端原丝的生产技术,并且能够实现规模化生产。但在原丝的纯度、均匀性以及某些关键中间体(如丙烯腈)的生产环节,可能还有提升空间,这会直接影响到最终碳纤维的性能和稳定性。

4. 生产成本和规模化能力

外国: 长期以来,国外碳纤维企业在规模化生产和成本控制方面做得比较好,能够通过规模效应来降低单位成本。
国内: 随着国内碳纤维产业的快速扩张,我们也在努力降低生产成本,提高规模化生产能力。随着国产化率的提升,以及生产工艺的不断优化,国内碳纤维的成本竞争力正在增强。这对于推动碳纤维在更广泛领域的应用至关重要。毕竟,再好的材料,如果成本太高,也难以普及。

5. 应用领域和技术推广

外国: 国外碳纤维在航空航天、汽车、风电、体育休闲等领域的应用已经非常广泛和深入。他们不仅提供材料,还提供材料的成型工艺、复合材料的设计和分析等全套解决方案。
国内: 我国在碳纤维的应用方面也取得了长足进步,尤其是在风电叶片、汽车结构件、体育器材等领域。航空航天领域是国家战略重点,国产碳纤维在这一领域的应用也在逐步深化。但整体而言,国内碳纤维的下游应用深度和广度,可能还需要进一步拓展。这涉及到对材料的理解、成型工艺的开发以及市场教育等多方面的工作。

总结一下,现在的状态是:

差距在缩小,但顶端仍有挑战。 我们可以自豪地说,中国在碳纤维领域已经不再是“小白”,而是具备了强大的追赶能力和一定的自主创新能力。
国产替代是趋势。 很多过去只能进口的场合,现在已经可以用国产碳纤维替代,并且性能可靠。
关键在于“精益求精”。 在满足基本需求之外,要实现国际领先,就需要对每一个生产环节都做到极致的控制,对每一个性能指标都有严苛的要求,并且要经过长时间的实际应用验证。这需要耐心、投入和时间。

所以,与其说“差多少”,不如说我们正在快速“追赶”并逐渐“并跑”。未来的发展空间依然巨大,也充满了挑战。

网友意见

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很复杂的问题

碳纤维复合材料分三个层面:原丝、树脂和运用。

原丝方面,最近的消息是M40等级小批量试产,M60能实验室级,但很显然这块和东丽,hexcel之类还是有明显差距。

树脂的差距可能要更大,只说一件事吧,现在国内想买T1000、M60等级的干丝并不难,他放给你买。但东丽原厂预浸布并不会卖给你——织纱的步骤是放在美国,树脂方面也是美国人先进。这块大家关注少,消息也少,个人观点不算乐观——树脂配方和高温合金类似,都得靠实验时长堆出来。

运用方面,全世界绝大部分的民用碳纤维制品都是中国制造——包括球拍、车架、滑雪板等等。在这类民用产品上的设计开发能力,目前的一线代工厂可以认为已实现对国外绝大部分品牌商的超越。很多国外品牌基本就是看着代工厂给的目录下单了。但现在也就到这程度了,大尺寸结构件的制造方面,国内厂商的经验仍算有限,更不要说超大尺寸的结构件了。这些涉及国家战略层面的制造能力信息有限。不敢多说。

总体而言,原丝差距不大,树脂差距未知,消费品技术碾压,战略产品技术未知。

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大家还记得俄罗斯的大飞机MC-21,被美国赫氏和日本东丽,断供T800碳纤维的事件吗?我们的大飞机C919,用的也是进口T800高能碳纤维,所以我们也面临着同样的断供风险,与此同时,国内已有部分领先企业,率先打破了美日等国,对宇航级碳纤维的技术装备封锁,为国产化替代时刻准备着。

碳纤维是战斗机、大飞机、战略导弹、火箭、卫星、舰船等尖端武器装备必不可少的战略物资,是国外长期技术封锁和产品垄断的敏感材料。而此时你看到的,就是中国首个高档碳纤维万吨生产基地,攻克了高性能碳纤维的稳定量产化技术,同时该项目的生产设备基本实现国产化替代,进一步缩小了中国碳纤维行业与日本东丽的差距。今天就来和大家聊一下,国产碳纤维的真实水平,现在我们到底有没有能力完成国产化替代。

首先碳纤维在航空航天领域的主要作用就是减重,在同等载荷情况下,使用先进的航空钛合金,能够实现 31.2%的减重,而碳纤维增强复合材料的减重比例,达到了85.2%。我拿战斗机给大家举个例子,让大家看看碳纤维复合材料到底有重要,军迷都晓得,衡量一台战斗机性能怎么样,主要就是看这5个核心指标,发动机推重比、巡航速度、作战半径、机动性能、还有有效载荷。推重比越大,飞机就越有升力,在空中的格斗性能也就越好。而发动机大量使用碳纤维复合材料,就可以让发动机减重,从而进一步提高发动机的推重比。同样的道理,战斗机机身大量使用碳纤维复合材料,可以降低机身的结构重量、节省燃料,从而提高飞机的巡航速度、作战半径、机动性能和有效载荷。

目前碳纤维复合材料的用量,已经成为衡量一架战斗机先进程度的重要指标。就比如说我们的20,现在使用碳纤维复合材料的比例,已经到27%了,F22的比例是24%,F35的比例在35%,B2隐身战略轰炸机的比例超过50%,美国全球鹰无人机的比例在65%,甚至在X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”上的比例,已经达到了90%。放到我们的东风快递上也是一样的道理,可以让导弹飞得更高,打得更远。

目前的碳纤维市场主要被美日德垄断,全球主要的三家龙头,日本东丽TORAY、美国赫氏Hexcel、还有德国SGL。网上很多人有个认知误区,都以为碳纤维技术起源于日本,其实真正的幕后技术大牛是英国。碳纤维及其高性能化的基础科学研究,起源于美国。但是美国对碳纤维的研究,一直都集中在人造丝基上,错过了性能最好的PAN基碳纤维的发展,而英国恰恰是PAN基碳纤维技术的领头羊,但是由于英国罗罗,把这个当时全球最先进的碳纤维技术,应用在了难度最高的发动机叶片上,结果失败了,这就导致英国碳纤维,一直都没什么机会实现真正的商业化。

在找不到应用场景之后,英国只能把这个最牛逼的技术,高价转让给了美国和日本。而日本东丽强就强在,它绕过最复杂的应用场景,航空航天领域,直接在民用市场率先开始应用,比如说碳纤维钓鱼竿。而美国凭借波音飞机碳纤维的应用也打开了市场,这时候美国碳化物公司和日本东丽,签订了技术互换协议,自此两家公司,同时拥有了高性能碳纤维生产的全过程技术。所以说,英国研制碳纤维发动机叶片的失败经验,告诉我们一个道理,人生有许多条路可以走,但千万不要一条路走到黑,即便你一身本领、满腹才华,最后也可能摔的头破血流。其实英国和美国都有点一根筋,日本懂得变通。

接下来说一下国内的发展现状,国内碳纤维产业链起步较晚,2000年之后才开始发展,2005年,国外开始对中国进口小丝束碳纤维进行封锁,小丝束碳纤维主要用于航空航天领域,所以这时候就开始了军工碳纤维的国产化之路,这几年高性能碳纤维核心技术的突破,让我们的战斗机终于用上了国产碳纤维。

碳纤维分成T级和M级两种,T级追求的是强度,M级追求的是韧度。目前国内某公司的部分产品,可以做到t1100级,达到了与美日的同等水平。宁波材料所,攻克了M65J级高模碳纤维的关键技术,但是这两家的批量供货能力,还是与国外存在客观差距。其实在大部分领域,T400 级别的碳纤维,就已经可以满足性能要求了。也就航空航天等高端军工领域,需要用到T800级或更高级别的碳纤维。而国产的T400、T700都可以做到稳定批量供货,所以国产化替代的前景,在我看来还是一片光明的。

总体来看,我们还处在一个过渡阶段,基本实现了从无到有的突破,美日的研发进度,肯定是要比我们超前好几年的,所以代差也是客观存在的。不过我刚才也说了,现在的国产碳纤维级别,基本是能满足航空航天等军工领域的需求的,我们现在首要解决的问题,就是高级别碳纤维稳定批量的出货能力,比如说T800、T1100、M65J等。 以前因为无法稳定批量生产,导致资金链断裂破产的企业有很多,以前有40多家,现在只剩下十多家了。给大家念一组数据, 就知道我为什么老是强调稳定批量的生产能力了。

2019 年,中国碳纤维产能为 2.685万吨,实际产量只有1.2 万吨, 产能利用率44.69%。2020年,中国碳纤维的产能为3.62万吨,而实际产量约为1.85万吨,产能利用率达51%,虽然目前的产能利用率,依然低于国际水平,但是好在发展势头良好,让人有个盼头。对比19年,我们提升了6.31%,这就说明差距是在不断缩小的。而且我们在某些应用领域也是比国外超前的,比如说中车研发的全球首款碳纤维地铁CETROVO,车重从最初的二十多吨,压缩到现在的七八吨。

有了国产碳纤维复合材料,还需要配套加工设备,才能造出相应的部件。所以这时候自动铺带ATL和自动铺丝设备AFP就派上用场了。目前这种高端铺放设备的技术,被美国,西班牙,法国垄断。国产铺丝机的铺丝头等关键功能部件,还是依赖进口,咱们要想在今后的发展中迎头赶上,还是需要持续加大对相关产业的支持力度,加强对复合材料应用技术的研究。

总之,我个人对国产碳纤维的替代前景,还是比较乐观的,不说别的,你看看C919大飞机和ARJ21,目前已经有1400多个订单了,到时候将产生将近1400吨的碳纤维复材需求,国产厂商,是有机会借着国内巨大的内需,实现跨越式发展的。

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