突破碳纤维“卡脖子”,就差临门一脚了。
文丨华商韬略 周瑞华
“苦海有边,回头无岸。”
2003年12月,在听完“十五”碳纤维关键技术专项专家组组长徐坚的汇报后,师昌绪这样鼓励他。
这八个字,也道尽了中国碳纤维在突破美日封锁之路上的艰辛。
【封锁!封锁!】
2015年,日本兵库县芦屋市聚乙烯化学有限公司75岁的董事长近藤正二,因四年前的一笔交易被捕。
2011年,他申请向韩国出售一批碳纤维,但船舶运输货单却显示,这批货被送到了中国张家港市。
日本警方认定,近藤正二的行为违反了日本《外汇及对外贸易法》。
碳纤维是一种含碳量95%以上的新型纤维材料,一根碳纤维只有头发丝十分之一那么粗,强度却是钢的9倍,而重量还不到钢的四分之一,耐高温、耐腐蚀、膨胀系数小,用途十分广泛。在体育用品、风电设备、汽车,以及国防、军工领域,都能见到碳纤维的身影。
如我国最近成功发射的神州13号载人飞船上,使用的大尺寸、多开口推进分系统主承力薄壁加筋截锥,其材料就是碳纤维。
正是由于碳纤维是军工、国防领域不可或缺的材料,二战成立后的巴黎统筹委员会,将其当做战略物资,列入对华禁运名单。
在冷战时期,日本更是将碳纤维列为最机密的五大技术之一。碳纤维出口到中国,每笔业务,要求进口企业先办理最终用户承诺书,并拿到我国商务部等有关部门的盖章、背书,然后日本企业以此承诺书申请许可证,拿到许可证才能正常报关。而且,能出口中国的,大多为低端民用级别。
而中国,偏偏又是碳纤维消耗大国。
2013年-2015年,中国的碳纤维消耗量为1．51万吨、1．47万吨、1．69万吨,约占全球碳纤维消耗量的30%、27．6%和22．72%。
而全球碳纤维市场,过去基本上是美日企业的天下。仅日本东丽,三菱和东邦,其碳纤维产能就占全球的50%。
▲2015年全球碳纤维理论产能,前五家公司分别为日本东丽、德国西格里、东邦、三菱和中国台湾的台塑 来源:《2015年全球碳纤维复合材料市场报告》
因此,在过去很长一段时间里,碳纤维,和芯片一样,卡住了中国的脖子。
更令人痛心的是,在碳纤维这条赛道上,中国曾经和日本、美国站在同一起跑线上。
结果,美日垄断了碳纤维,而中国,却掉队了。
【起大早,赶晚集】
中国碳纤维发展历程,是“起了个大早,赶了个晚集”。
碳纤维1879年就被爱迪生发明出来,但受制于当时的技术水平,达不到使用标准,碳纤维的研究就此被搁置。
直到20世纪50年代,航天航空、火箭等尖端技术的发展,迫切需要一种耐高温、比强度高的新型材料。
▲碳纤维应用场景 来源:工信部《新材料产业“十二五”发展规划》,中简科技招股说明书,中金公司研究部
美国率先重启了碳纤维的研发,在1950年代以黏胶基为原材料,研发出黏胶基碳纤维。但这种碳纤维的碳化率只有20%,无法大规模商业化生产。
不过,这个消息启发了亚洲的碳纤维研究。
1960年代初,几乎同一时间,日本和中国都开启了碳纤维的研发。
大阪工业研究所的近藤昭男,研发出了以聚丙烯腈(PAN)为前驱体的PAN基碳纤维,碳化率在50%-60%,性能也优于黏胶基纤维,可广泛应用于军工、航天飞机部件、体育用品和锂电池等众多领域。
1960年代初,利用近藤昭男的专利,日本碳素公司、东海电极公司陆续开始研究PAN基碳纤维产业化之路,日本东丽公司也建立了碳纤维研究和制造设施,寻找PAN基碳纤维的前驱体纤维。
与日本同一时间,中科院长春应化所李人元设立了聚丙烯腈基碳纤维课题,展开基础研究工作。
到1970年,日本东丽在基础聚合物和设备制备工艺上,获得了双重突破。也是在这一年,它做出了一个技术组合战略:一是拿下近藤昭男的专利授权,改进工艺;二是与还没有取得突破的日本碳素公司和东海公司合作,买下两家公司十年探索的研发成果;最后,东丽还与UCC(美国联合碳化物公司)签订交叉授权协议,用自己在高性能原材料上的研究成果换UCC的碳化技术。
东丽集合了当时全球碳纤维最先进技术,第二年就生产出Toraca T300碳纤维,并实现量产,碳纤维商业化的大门向东丽打开。
随后,东丽在体育用品和民用航空领域打开了市场。到1975年,其碳纤维不仅用于生产高尔夫球杆、钓鱼竿,还成功地应用在波音737飞机上,自此东丽与波音开始了长期合作。
日、美企业技术互通有无,在碳纤维上实现突破的同时,各大公司对中国保持一致态度:不转让技术、不出售设备。这导致中国在碳纤维的研发上裹足不前。
1970年代,中科院化学研究所、化工部吉林化工研究院、中科院山西燃化所等科研单位都加入到碳纤维的研究中,并实现了一定的突破,但产品不光性能差,产量也很小。
1974年底,东丽公司碳纤维生产线的产能已经达到13吨/月,而我国1975年全年碳纤维产量仅50公斤,远远无法满足国防和国民经济发展的需要。
我国新型战斗机1964年就设计完成,但碳纤维发动机涡轮叶片,却迟迟无法实现。
这年11月,时任国防科工委主任的张爱萍将军召集多个部门,在北京召开第一次全国碳纤维会议(史称“7511会议”),首次把碳纤维的研发提升到国家层面。
也是从这以后,我国碳纤维的研发从过去各部门分散无序的状态,转入有计划、有目标的研究发展。
但中国的碳纤维研发并没有就此走上快车道。
一方面是由于国外的技术封锁,另一方面,国内各部门研究没有形成主流技术路线,研究力量分散,没能形成合力办大事。
当时我国最好的产品,性能也只能达到东丽公司T200级水平,而且质量不稳定,无法用作航空航天结构材料,国防事业被卡脖子。
上世纪80年代,我国第二代战略导弹东风-31洲际导弹,就因为我国搞不出航天级高纯黏胶基碳纤维,无法承受高空高速飞行和重返大气层时骤然升高的气温,导致首飞失败。
不仅国防被卡脖子,即便是普通民用产品,也要看日美碳纤维企业的脸色。
当时,山东威海生产碳纤维钓鱼竿的威海光威集团,碳纤维靠进口,上游碳纤维生产企业很傲慢,对它是“通知性涨价,赏赐性供给”,过得很憋屈。
这种“憋屈”,北京中科院化学所原副所长吴仁杰还有更形象的说法:
“我们就像一个醒来的人,打哈欠,伸懒腰,总也起不来床。”
【突破垄断】
2000年春节,国家战略科学家师昌绪找到国家自然科学基金委材料科学部原常务副主任李克健,提出“抓一下碳纤维”。
师昌绪是中国材料学之父,我国高温合金材料研究的奠基人。但一提到“碳纤维”,李克健还是直摇头,“这事太复杂!谁抓谁麻烦。”
他的担心不无道理。
当时距离1962年李人元开始碳纤维课题研究,已经过去近40年,距离7511会议,也已经25年。
但这么多年下来,我国仅有少量碳纤维作为烧蚀材料供货,国防军工所需的高性能碳纤维,基本全部靠进口。
但2000年前后的国际形势严峻,1964年新型战斗机被卡脖子的情形还历历在目,80岁的师昌绪忧心忡忡:
“如果碳纤维搞不上去,拖了国防的后腿,我死不瞑目。”
在他的推动下,2002年,科技部国家863计划,设立碳纤维关键技术304专项,拨款1亿元,成立专家组,展开集约攻关。
这意味着,40年后,我国再一次向碳纤维发起冲刺,开启了冲出国际垄断的逆袭之旅。
在总结了过去40年碳纤维研究失败的经验教训后,304专家组制定了“十五”碳纤维研究的战略目标和运行机制:
改变过去各家院所分头搞研究,明确将PAN原丝作为攻关方向;
打破各院所、组织的“门户之见”,形成专利、技术、信息和战略调研的共享机制;
建立独立的考评机制,并搭建各组织、院所公用的表征测试平台。
这套运行机制,把各研究机构拧成一股绳,劲儿往一处使,目标一致,攻克碳纤维。
碳纤维是多学科交叉、多技术集成的技术,过去,我国部委分割过细,碳纤维研究的各个环节、技术由各部委分管,这也拖累了碳纤维研究。
师昌绪吸取了此前的教训,定下一条规矩:谁拿专项的钱,谁就归我们管。
在当时严峻的国际形式下,为了尽快研发出碳纤维,军用新材料专家赵稼祥为组长的评估专家组,每三个月就去科研单位现场取样,送到第三方单位统一测试。
2003年11月,PAN碳纤维独立考评数据第一次第三方盲测结果出炉:6家国内优势单位,无论是碳纤维的强度、模量还是伸长率,没有一家达到东丽公司最低档T300的标准。
这个结果让当时的304专家组组长徐坚心情沉重,在向师昌绪汇报工作时,他用“苦海无边,回头是岸”结尾。
师昌绪回赠了他八个字——苦海有边,回头无岸,鼓励他不要轻言放弃。
东边不亮西边亮,就在徐坚心灰意冷的时候,当年那家生产钓鱼竿的公司——威海光威集团,传来一个好消息:公司已经生产出碳纤维原丝,要求加入304项目组。
高校院所、国有企业几十年都搞不出来,一家民营企业能行?
专家组将信将疑地到现场取样考察,结果显示:光威集团生产的碳纤维与东丽T300级指标最为接近。
1998年,光威集团创始人陈光威提出“跳出院墙、围着院墙转”的战略,把业务往钓鱼竿产业链上游延伸,引进国内首条宽幅碳纤维预浸料生产线。
▲陈光威
碳纤维预浸料生产线投产后,大获成功,但主要原材料碳纤维,依然依赖进口。2002年,得知科技部已经立项研发碳纤维,陈光威决定“为国家干点事”。
他不顾碳纤维专家的劝阻,投入到碳纤维研发中。没有国家科研经费,他不惜抵押了自己的房子,还搭上光威十几年来在钓具和预浸料业务上的全部积累,带着技术骨干没日没夜地改进生产工艺,终于生产出中国人自己的碳纤维。
光威集团的成功,让304专家组调整了支持方向,把民营企业也纳入项目,与国企公平PK。
效果很快显现出来:
2005年,光威T300级碳纤维通过了“863”计划验收,百吨级T300生产线投产。
这意味着,我国国防建设所需关键材料CCF-1级(相当于东丽T300)碳纤维,可以自给自足了。
卡了30多年的脖子,终于撬开了一道喘息的缝。
【临门一脚】
自2005年以来,中复神鹰、吉林碳谷、江苏恒神…一批抱着“纤维救国”理想的企业涌现,并取得了一系列成果:
2012年,中复神鹰张国良团队,攻克了干喷湿纺T700碳纤维工艺。
这一技术的突破可使纺丝速度达到400米/分钟,是传统湿法纺丝速度的5倍,此前只有日本个别企业掌握。
2018年,上海石化突破从12K(K即千)小丝束到48K大丝束碳纤维的技术瓶颈。
在相同的生产条件下,48K大丝束可大幅提高碳纤维单线产能和质量性能,降低生产成本,为产业化提供技术支撑。
2019年初,中科院山西煤炭化学研究所,在干喷湿纺制备T-1000级超强碳纤维核心技术上,实现重大突破
到2019年,我国碳纤维理论产能,以2．685万吨,排在美国(3．73万吨)和日本(2．91万吨)之后……
今年9月28日,被誉为“粤港澳大湾区”最快地铁的广州地铁18号线,首段正式开通运营,在该路段运营的“湾区蓝”,是我国首列车头头罩采用轻质高强度碳纤维复合材料的高速地铁列车。
它使用的碳纤维复材,是由上海石化自主研发生产的。
20天前,中复神鹰母公司中国建材集团第一条年产万吨的碳纤维生产线,在青海西宁正式投产,首批碳纤维产品,已达到国内T700及T800级水平。
虽然最早研发碳纤维,是为国防军事所用,但碳纤维的竞赛,不限于军事领域。对于中国这样一个制造大国而言,碳纤维还将撬动产业升级。
就拿民用大型客机来说,我国大飞机与波音、空客的竞争,其实就是一场新材料之争。
有数据显示,民航飞机每减轻一公斤,每年可节省6万美元的燃油费。
目前,空客A350和波音787,采用的碳纤维复合材料比例已经达到50%以上,中国商飞新研制的C919机型,才刚达到30%左右。
而碳纤维还有更广泛的使用领域,从高档数控机床、机器人、航空航天装备,到海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备,未来碳纤维都能重塑整个产业。
这也意味着,产业化才能让中国碳纤维更强。
目前,碳纤维领域最先进的技术,尤其是T1000及以上级别的高端尖货,我国虽然已攻克高端碳纤维的技术,并在2019年下半年开始量产,但其市场已被日美引领,而同一时期,日本东丽已经研究出强度是T1000十倍的T2000级碳纤维。
尤其碳纤维“龙头”日本东丽的产品,如今已经做到从小丝束到大丝束,从线、条到面板,全系列覆盖,并且在高端碳纤维领域几乎垄断了国际航空市场。
差距就是机遇。
基础已经打好,伴随规模化的产业进程推进,中国碳纤维在高端领域崛起,相信也是指日可待。而总结碳纤维这一追赶历程,以下两个经验是重要,且值得科技攻关整体参考借鉴的:
首先,重大科技攻关,要集中力量办大事。重大科技项目,投入周期长、难度大,分散兵力,看似容易东方不亮西方亮,但最终却往往因为每个项目的力量和资源都有限,而都不亮,甚至全军覆没。
其次,要重视民营企业的力量,市场机制的力量。比如,光威对碳纤维的突破,就对整体攻关起到巨大作用,而这背后,正是民营企业家在市场激励下的创新创造。
【参考文献】
[1]《中国碳纤维:“苦海有边,回头无岸”》原载于《师昌绪院士战略思维与实践足迹》徐坚
[2]《碳纤维40年:国际封锁下的艰难攻关》《经济》杂志 黄芳芳
[3] 央视纪录片《大国之材-碳纤维》
[4]《被“卡脖子”逼出来的碳纤维》新材料在线 李书乡
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