深度解析国产碳纤维的现状及其在自行车上的应用
2017-02-24 来源：浙江自行车协会网
日前美骑转载了国产碳纤维材料T800的相关报道，文中探讨了中国自主研究T800碳纤维材料的历史等内容。为了解碳纤维材料在我国自行车产业的应用情况，笔者采访了连云港神鹰碳纤维自行车股份有限公司总经理赵柯，除了碳纤维材料的介绍，他还介绍了用于自行车上的碳纤维材料的制作技术。
日前所报道的T800究竟为何物？
媒体所报道的这家公司于2015年底成功达产低成本T700级碳纤维，经过一年刻苦攻关，利用自产千吨级的原丝，再次突破低成本T800级碳纤维生产技术，而且其规模化生产的T800级碳纤维成本仅为350元/kg。赵总表示他们没有实地考察过这家公司，也不能妄下评论，但是这家公司能利用这么短的时间突破低成本T800级碳纤维的生产技术还是非常有难度的。另外有两点需要说明，低成本是理论上的估算还是实际验证过的需要求证，这两者差别很大；而且市场上是否有批量的产品供应也需要了解，市场供应量是最好的佐证。
T700、T800甚至是T1000，这些数字代表什么？
▲东丽碳纤维性能分布图（红圈内为国内产品分布）
T系列碳纤维就是日本东丽公司的强度系列碳纤维，如上图所示，主要特点是不同产品间的强度梯度差别比较大，模量相对变化不大，与东丽高强高模和高模碳纤维形成完整的碳纤维产品体系。T800是东丽公司的产品命名方法，由于做得早做得好，所以其产品系列成为了行业的标杆。
国产碳纤维主要突破的是T系列的，并且以T300为主，只有部分企业能量产T700及T800级别碳纤维。T系列即高强型碳纤维，主要是应用于力学性能要求比较高的领域，其承受的力量可以特别大；高模型的碳纤维由于模量高，在高低温环境下尺寸稳定，且导电导热性好，比较适合应用于航天领域，还有高档鱼竿，以及某些需要导电导热的领域。
国内碳纤维生产及发展状况
碳纤维是一种国家战略新兴材料，能直接应用于军工领域，比如导弹、火箭、战斗机等，所以国外对其相关的技术、关键装备及材料都是封锁或限制的，这也导致了国内碳纤维产业链的长期严重滞后，尤其是碳纤维产业的源头——碳纤维的国产化。但其实从严格意义上来讲，碳纤维并不算是新兴材料，在国外，比如日本东丽上世纪60年代就开始了规模化的生产，国内真正意义上的规模化生产仅有几年的时间。
▲国内碳纤维实际产量（吨）
现在做的比较有影响力的几家碳纤维生产企业基本上都是从零几年开始立项的，比如中复神鹰公司（和连云港神鹰碳纤维自行车股份有限公司同属于鹰游集团）、威海拓展、江苏恒神、河南永煤等等。这些企业是真正有碳纤维在销售及应用的，其中又以中复神鹰的国产碳纤维市场占有率最高，历年来都在70%以上。
目前国产碳纤维的自给率只有20%左右，对外依存率仍然高达80%，其主要原因是：
1）国产碳纤维规格种类较单一，还普遍以小丝束的T300为主，难以满足更高产品的性能需求及低成本的需求；
2）部分已量产的碳纤维本征性能虽然可以，但是工艺性能还有待提高，比如毛丝量大、上浆剂不匹配及扩展性不好等；
3）国内碳纤维应用企业对国产碳纤维的认知欠缺，在好多产品应用上不信任，上下游还需要时间进行磨合。
碳纤维是一项技术密集型、资金密集型的产品，为什么把技术排第一位，是因为其生产工艺参数成千上万个，国外又封锁，如何组合需要摸索，且控制要求非常高，这些不是单单有资金就可以买得到的。用国内专家徐坚的话说就是“对于未上项目或刚上项目的企业——是苦海无涯回头是岸，盈利周期会非常慢，后续投入还会非常大，最好及时回头；对于已经上了项目并且已经投了很多钱的企业——是苦海无涯回头是岸，既然投了就只能硬着头皮往前走，要不已经投入的就打水漂了”。
以中复神鹰公司为例，T700的千吨级生产线早就投产了，技术成熟度7级，为国内最高，2016年又刚刚投产的T800千吨级线，做到现在走了10多年的路，也是最近才开始盈利，原先都是亏本的。目前，碳纤维的本征性能做到T800，量产已经没有问题，国内报道能做到此级别的也有不少，T800已经是国内能量产的最高级别碳纤维，其他的都还不具备量产能力。但是国内有一个不好的现象就是喜欢夸张宣传，把能做出来和能批量应用相混淆，对于碳纤维来说做出来只是开端，能持续稳定的批量供应才算是真正攻克。
国产的T800材料在量产上有哪些难题？
近年来上碳纤维项目的企业如雨后春笋一样多，大大小小加起来有几十家。但是这么多企业，能持续稳定批量供应T800级别碳纤维的却很少，主要问题在于工艺、装备及人员的不足，由于国外封锁，没有直接的技术来源，工艺完全靠自己摸索，能买的装备也是通用型的，需要后期改进及集成才能满足T800级别的生产需要，人员更是需要自己培养。再一点就是一般民用产品的制作用T300及T700级别的就够了，T800的成本更高，从成本因素考虑具有使用量的民用市场需求相对不大；另外T800级别碳纤维一般是航空航天产品的入门级别，这些高要求领域对碳纤维稳定性要求非常高，认证需要较长周期，而国产化时间较短，现在还不具备量产的市场化前提。
中复神鹰推出的T800碳纤维材料是怎样的？
关于T800级碳纤维的研发早就开始了，也是在千吨级T700级别的基础上进行的，碳纤维的研发历程一定是有技术传承的。既然说是T800级别的碳纤维，按统一标准其性能和东丽T800应该是差不多的，即拉伸强度5490MPa左右，拉伸模量300GPa左右，以及其他参数均达到同等级别。另外由于各家工艺路线及技术水平不一样，在有些参数上会有差异。
▲中复神鹰的T800级别碳纤维材料
▲不同级别的碳纤维及原丝
中复神鹰的T800级别碳纤维命名为SYT55，千吨级T800级原丝聚合线是在2016年5月正式投产的，其研发从立项到百吨级线投产经历了5年多时间，再到千吨级用了1年多时间，所以其周期还是比较长的。研发生产期间需要攻克聚合、纺丝及碳化等工序的成千上万个工艺参数，以及配套设备的设计、制造、安装及不断优化改进，里面技术难点非常多，并且百吨级到千吨级也是一个跨越，工艺参数及设备要求又不一样。总之，研发T800级别的碳纤维不是一蹴而就的，技术难度非常高，在这里就不一一解说了。
▲中复神鹰T800材料的研发得到突破性进展
▲原丝生产车间
对于碳纤维的发展，中复神鹰核心优势之一就是依托鹰游集团的资源，具备碳纤维生产应用核心装备的设计、集成及生产能力，这个非常关键，对后续的持续改进意义重大，这个也是国内其他碳纤维生产企业欠缺的；第二优势是他们不仅只做碳化，还做PAN原丝，PAN原丝是碳纤维核心的核心，不仅占到全成本的50%以上，还是最终碳纤维的DNA，原丝的好坏直接决定最终碳纤维本征性能的优劣；第三优势是神鹰的碳纤维生产能保证产量，这个对暴露碳纤维生产的问题及持续工艺改进非常关键，只有产能没有产量是永远做不好的；第四优势是其集团内部碳纤维新材料板块形成了全产业链，这还不是一家公司内部的全产业链，他们是全产业链的各环节的都有独立公司，市场化运作，更加有利于协同创新。
碳纤维材料在国内自行车行业的应用情况
考虑到成本因素，无论国内还是国外，大多数碳纤维自行车主要是以T700级别碳纤维为主，局部会用到T800，超轻量的才会全部用到T800，至于其他更高级别的T系列碳纤维，考虑到成本因素，市场需求并不大，也较少应用。碳纤维材料，尤其是T800及以上的高端碳纤维，国外对中国是实行严格限运的。
碳纤维自行车加工的关键技术是什么？
碳纤维成品的加工工艺非常多，不同工艺所需的设备及步骤也不一样，以碳纤维自行车为例，其生产步骤是：碳纤维丝——织布——预浸——设计——开发——裁料——卷料——成型——加工胶合——补磨涂装——包装，其关键步骤是预浸、设计、开发、卷料和成型。关键步骤也是市面各大自行车厂商的核心及关键点，预浸主要是决定了原材料的性能，其好坏直接影响产品的内在性质；设计决定了产品的外形，比如风阻大小，是否符合人机工程学，模具成型是否方便等；开发决定了产品的叠层结构，也是复合材料设计里面最核心的地方，碳布的角度、叠层厚度及顺序等都非常关键，后面的卷料工艺单都是由开发制作的；卷料的重要性主要体现在工人的操作熟练程度及素质，否则再好的卷料工艺单也做不出好产品；成型是将良好的设计及开发最终定型，其大部分性能参数也是在此步骤定型下来，其成型工艺及配套设备非常关键。
▲碳纤维丝编织成布，碳纤维材料可应用的领域相当广泛
碳纤维材料未来的应用
中复神鹰公司的国产碳纤维在国内的市场占有率历年保持在70%以上，可以说，对市场的供应量是非常大的，每年还有少量的产品出口国外，2016年碳纤维丝累计销售量约2400吨。2016年中复神鹰公司的碳纤维开始盈利，这也是国产碳纤维企业做纯民用领域的首次盈利。
碳纤维的市场缺口是比较大的，还有好多领域等待开发，尤其是国内起步较晚，缺口更明显，比如工业、航空航天、汽车等领域，这些领域对高端的、质量稳定的碳纤维及其相关产品需求潜力非常大。但是国内普遍以低端的T300的低水平重复建设为主，看似累计产能很大，但是实际产量较低，一是产品性能达不到要求，二是由于性能不足卖不上高价格，普遍以低于成本很多的价格销售，那么销售多少就亏多少，恶性循环就导致缩减产量。目前神鹰的T700级别碳纤维已经被国家认定为技术成熟度七级（目前国内最高等级），此前突破T800级别碳纤维的千吨级线花了十多年时间才做到一定的水平，涉及的生产设备甚至工艺参数及控制都非常多，几乎每天都要进行技术创新。他们表示将在十三五期间实现国家的目标，将T700做到技术成熟度九级。
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