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日本碳纖維領(lǐng)跑全球碳纖維技術(shù)關(guān)鍵因素分析
發(fā)布時(shí)間：2020-01-09 20:46:10 點(diǎn)擊率：
在全球性能纖維領(lǐng)域，無(wú)論是產(chǎn)品的種類、系列化開(kāi)發(fā)、性能指標(biāo)還是生產(chǎn)成本，日本企業(yè)均具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，在碳纖維領(lǐng)域的這些優(yōu)勢(shì)尤其明顯。這得益于政府政策的有力推動(dòng)，也得益于其產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟模式和人才培養(yǎng)方式，更離不開(kāi)企業(yè)的高瞻遠(yuǎn)矚、長(zhǎng)期堅(jiān)持和巨大投入?？偨Y(jié)來(lái)看，日本碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)。
1、政府大力推動(dòng)與支持
日本政府高度重視高性能碳纖維以及能源和環(huán)境友好相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并給予人力、經(jīng)費(fèi)上的大力支持，在包括“能源基本計(jì)劃”“經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)戰(zhàn)略大綱”和“京都議定書(shū)”等多項(xiàng)基本政策中，均將此作為應(yīng)當(dāng)推進(jìn)的戰(zhàn)略項(xiàng)目。
日本政府支持碳纖維領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的主要項(xiàng)目
2、行業(yè)協(xié)作促技術(shù)攻關(guān)
在碳纖維行業(yè)，日本較早形成了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，聯(lián)盟成員覆蓋了整個(gè)碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，能夠全面了解產(chǎn)業(yè)中存在的問(wèn)題和需求，有效服務(wù)于產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)。如新構(gòu)造材料技術(shù)研究聯(lián)盟（ISMA），共有39個(gè)成員，其中37家為企業(yè)，另有
1 家國(guó)立研究所（產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所）以及 1 所國(guó)立大學(xué)（名古屋大學(xué)）。
日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）從2008年開(kāi)始在碳纖維領(lǐng)域進(jìn)行為期5年的“續(xù)發(fā)展的復(fù)合材料技術(shù)項(xiàng)目”于2013年9月結(jié)題。項(xiàng)目由東麗、三菱麗陽(yáng)、東洋紡、高木精工、豐田、本田、日產(chǎn)等企業(yè)與東京大學(xué)、東北大學(xué)、山形大學(xué)等院校合力進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)新型CFRTP的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)減輕車(chē)重30%、提高燃油效率22.5%、提高加工速度、提高回收率等目的。項(xiàng)目研發(fā)成果分為以下四項(xiàng)。
中間材料的研發(fā)：中間材料的研發(fā)成果包括各向同性和單取向性兩種中間材料，實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)車(chē)用CFRTP在1min內(nèi)的成型，同時(shí)熱塑性CFRTP也方便了終部件的可回收再利用。其中各向同性CFRTP中間材料是短切碳纖維與聚丙烯樹(shù)脂復(fù)合的粒料，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形
狀部件材料的成型；單取向性CFRTP中間材料是長(zhǎng)絲碳纖維與聚丙烯樹(shù)脂復(fù)合的預(yù)浸帶，特別適合作為框架等要求高強(qiáng)度的產(chǎn)品應(yīng)用。
成型技術(shù)的研發(fā)：針對(duì)兩種不同的中間材料，項(xiàng)目研發(fā)了兩種不同的加工成型方式，如圖2所示。各向同性中間材料采用高速?zèng)_壓成型，模具使用時(shí)間短，成型后的材料變形小，可生產(chǎn)表面形狀凹凸復(fù)雜的CFRTP部件，適合作為汽車(chē)的次承力結(jié)構(gòu)件。單取向性中間材料采用高速內(nèi)壓成型，可生產(chǎn)無(wú)縫中空封閉截面，其CFRTP部件適合用于汽車(chē)載荷的主承力結(jié)構(gòu)件。
連接技術(shù)的研發(fā)：研發(fā)成功了集熱板熔融、震動(dòng)熔融、超音波熔融等為一體的加熱和加壓連接法，實(shí)現(xiàn)連接部位一體化的同時(shí)增加接合部的纖維體積分?jǐn)?shù)，提高強(qiáng)度，避免了容易對(duì)CFRTP材料產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷的鋼焊接技術(shù)。
回收技術(shù)的研發(fā)：CFRTP回收技術(shù)項(xiàng)目成果，是在NEDO從2006年起在日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的資助下進(jìn)行的題為“碳纖維回收技術(shù)的研發(fā)示范”項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，利用熱分解法，在高溫常壓下回收復(fù)合材料中的碳纖維。由于上述技術(shù)成果的突破，使得日本生產(chǎn)商加速了對(duì)CFRTP在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的市場(chǎng)布局，包括碳纖維絲束原材料、復(fù)合材料預(yù)浸料和注塑顆粒材料在內(nèi)的產(chǎn)能投入。
3、行業(yè)集中度高，各龍頭企業(yè)在技術(shù)和產(chǎn)品上形成差異化競(jìng)爭(zhēng)
東麗株式會(huì)社于1971年開(kāi)始生產(chǎn)PAN基碳纖維，在全球26個(gè)國(guó)家和地區(qū)擁有運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，在日本、美國(guó)、歐洲和韓國(guó)建有碳纖維生產(chǎn)基地；東邦株式會(huì)社于1975年開(kāi)始生產(chǎn)PAN基碳纖維，在全球80個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展業(yè)務(wù)，在日本、德國(guó)和美國(guó)建有碳纖維生產(chǎn)基地；三菱麗陽(yáng)是全球同時(shí)具備生產(chǎn)PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維的公司，早于1974年開(kāi)始生產(chǎn)碳纖維，在日本、美國(guó)和德國(guó)均有碳纖維生產(chǎn)基地。
4、企業(yè)注重專利保護(hù)，同時(shí)在規(guī)模上具備很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)
碳纖維制備技術(shù)比較復(fù)雜，涉及多個(gè)學(xué)科的交叉和應(yīng)用，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)多達(dá)數(shù)百個(gè)?，F(xiàn)階段，碳纖維生產(chǎn)核心技術(shù)主要掌握在日企手中，并且嚴(yán)格對(duì)外保密，各企業(yè)在碳纖維領(lǐng)域擁有全球多的技術(shù)專利，并且基本覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，在諸多國(guó)家進(jìn)行了專利布局。
根據(jù)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局《產(chǎn)業(yè)專業(yè)分析報(bào)告——高性能纖維》一書(shū)中的統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)碳纖維生產(chǎn)工藝領(lǐng)域申請(qǐng)量進(jìn)入全球排名前10位的都是日本申請(qǐng)人，而CFRP領(lǐng)域申請(qǐng)量排名前10位的有9位都是日本申請(qǐng)人（其中美國(guó)通用電氣排在第9位，與日本碳纖維生產(chǎn)商就汽車(chē)用CFRP有一系列合作協(xié)議）。由這些數(shù)據(jù)可見(jiàn)，日本碳纖維企業(yè)無(wú)疑具有世界的創(chuàng)新能力，在全球范圍也已形成行業(yè)壟斷。申請(qǐng)量居前的日本申請(qǐng)人均是有著數(shù)十年經(jīng)營(yíng)歷史的產(chǎn)業(yè)制造商，其研發(fā)創(chuàng)新主體即是企業(yè)自身；申請(qǐng)人企業(yè)覆蓋了從化纖、紡織、化工、電器到鋼鐵制造等不同領(lǐng)域，意味著日本的碳纖維技術(shù)已經(jīng)在其應(yīng)用領(lǐng)域形成了遍布上中下游穩(wěn)定的產(chǎn)業(yè)鏈。
5、日本碳纖維企業(yè)注重上下游結(jié)合，并且針對(duì)不同領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出合適的產(chǎn)品
龍頭企業(yè)均注重產(chǎn)業(yè)鏈上垂直經(jīng)營(yíng)，以控制產(chǎn)業(yè)鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，促進(jìn)對(duì)市場(chǎng)演變和客戶需求的理解，從而制備出滿足特定用途的合格產(chǎn)品。同時(shí)，這些龍頭企業(yè)開(kāi)發(fā)的碳纖維型號(hào)覆蓋多個(gè)性能層次，含標(biāo)準(zhǔn)彈性模量、中彈性模量和高彈性模量，以適用于不同領(lǐng)域；為了避免過(guò)度同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)，企業(yè)之間在碳纖維制備技術(shù)的細(xì)節(jié)和產(chǎn)品類型上存在一定差異。
2013年10月，帝人宣布推出全新品牌CFRTPSereebo®，包括3種系列中間材料。其中U系列（單向中間材料）可提供高定向強(qiáng)度；I系列（各向同性中間材料）可保證CFRTP制品形狀的均一和多方向上的高強(qiáng)度；P系列（熱塑性顆粒材料）適用于復(fù)雜部件的注塑成型，為將來(lái)在汽車(chē)上的全面應(yīng)用做鋪墊。2013年10月，東麗宣布推出新的碳纖維增強(qiáng)聚苯硫醚（PPS）樹(shù)脂顆粒材料，該材料改進(jìn)了纖維和PPS樹(shù)脂接觸面的粘結(jié)性，提高了抗拉強(qiáng)度，可作為注塑成型的原料使用。使用該材料制備CFRTP部件，其抗拉強(qiáng)度與鋁鑄件相當(dāng)，質(zhì)量卻輕了近45%。就在NEDO的成果發(fā)表之后不到1個(gè)月，日本碳纖維生產(chǎn)商就將新技術(shù)產(chǎn)品投放到市場(chǎng)，可見(jiàn)其將研發(fā)成果轉(zhuǎn)化為新產(chǎn)品的速度之快。
東麗在碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上的布局
積極開(kāi)拓北美CFRP汽車(chē)市場(chǎng)
隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展與擴(kuò)大，注重與下游企業(yè)合作，不斷開(kāi)發(fā)新的市場(chǎng)，以下游應(yīng)用帶動(dòng)上游的發(fā)展，是日本碳纖維企業(yè)選擇的發(fā)展之道。目前，日本碳纖維生產(chǎn)商和歐美的主要汽車(chē)生產(chǎn)商紛紛結(jié)成聯(lián)盟，謀求共同發(fā)展。在參股Plasan
Carbon Composites公司之前，東麗的主要汽車(chē)制造商合作對(duì)象是日本和歐洲公司，包括豐田、富士重工和德國(guó)戴姆勒公司。
Plasan Carbon
Composites公司是美國(guó)的豪華轎車(chē)CFRP車(chē)體面板一級(jí)供應(yīng)商，同時(shí)自身?yè)碛锌蓪FRP部件的生產(chǎn)成型時(shí)間縮短至17min的技術(shù)。買(mǎi)入Plasan
Carbon
Composites公司股份，確保了東麗通往美國(guó)汽車(chē)制造商的分銷(xiāo)渠道，進(jìn)一步提高其在美國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的參與度。東邦與美國(guó)通用自2011年起就展開(kāi)了穩(wěn)定的合作關(guān)系，與東麗一樣，東邦也在歐洲和美國(guó)建立了公司和銷(xiāo)售中心，瞄準(zhǔn)汽車(chē)市場(chǎng)投入大量資金，并出資建立了復(fù)合材料應(yīng)用中心，對(duì)未來(lái)碳纖維及其CFRP在汽車(chē)上的應(yīng)用充滿信心。三菱麗陽(yáng)則與寶馬和西格里集團(tuán)3方合作，宣布2014年寶馬i3系列純電動(dòng)車(chē)BMW
MegacityVehicle在全球正式上市，為碳纖維產(chǎn)品在通用汽車(chē)領(lǐng)域的商業(yè)化普及應(yīng)用邁出了重要的一步。這款車(chē)的市場(chǎng)表現(xiàn)，將在很大程度上決定未來(lái)10年CFRP在通用汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展方向。
積極開(kāi)拓東盟CFRP市場(chǎng)
由于明確的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)扶植政策，泰國(guó)成為東盟地區(qū)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的中心。已經(jīng)有多家國(guó)際汽車(chē)巨頭在泰國(guó)建立了生產(chǎn)基地，這也解釋了作為材料供應(yīng)商的東麗與三菱麗陽(yáng)為何選擇在泰國(guó)開(kāi)展CFRP業(yè)務(wù)。東麗已經(jīng)在泰國(guó)擁有1個(gè)海外辦事處和多家樹(shù)脂與纖維生產(chǎn)銷(xiāo)售分公司，看重童夢(mèng)Carbon
Magic公司擁有豐富的工程設(shè)計(jì)、原型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)實(shí)力，憑借童夢(mèng)在泰國(guó)工廠的熱壓罐技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，能夠與現(xiàn)有的多種技術(shù)形成協(xié)同優(yōu)勢(shì)，可有效提升東麗的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。三菱麗陽(yáng)選擇的PTT公司是一家能源企業(yè)，從制造石油化學(xué)產(chǎn)品到銷(xiāo)售壓縮天然氣，業(yè)務(wù)范圍較廣，擁有強(qiáng)大的市場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，能夠從銷(xiāo)售和市場(chǎng)為三菱麗陽(yáng)提供便利條件。
6、企業(yè)重視人才的開(kāi)發(fā)培養(yǎng)
以東麗為例，一是研發(fā)人員布局合理，且注重復(fù)合型人才培養(yǎng)，過(guò)半的研發(fā)人員兼顧兩個(gè)以上的研發(fā)方向，以保證各環(huán)節(jié)研發(fā)的配合銜接；二是在生產(chǎn)工藝、復(fù)合材料和主要產(chǎn)品上有著固定的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行后續(xù)的技術(shù)升級(jí)；三是核心發(fā)明人作用突出，每個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)相對(duì)穩(wěn)定，并在主導(dǎo)發(fā)明的同時(shí)傳帶新人，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的過(guò)渡和交接。
7、企業(yè)通過(guò)提高生產(chǎn)效率、擴(kuò)大產(chǎn)能和兼并收購(gòu)以應(yīng)對(duì)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展
為應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的汽車(chē)、飛機(jī)等下游需求，日本主要碳纖維企業(yè)近幾年均有產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃。根據(jù)測(cè)算，從2015 —
2018年，東麗、帝人和三菱的碳纖維產(chǎn)能分別增加了0.45萬(wàn)、0.3萬(wàn)和1.13萬(wàn)t/a；不斷致力于通過(guò)采用新原料和新工藝，來(lái)降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率，并進(jìn)一步拓寬碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域；展開(kāi)大量收購(gòu)以縱向延伸或橫向擴(kuò)展。
面對(duì)全球日益嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，日本碳纖維生產(chǎn)商除了加大擴(kuò)建力度，還通過(guò)聯(lián)合或收夠上下游企業(yè)的形式，垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈，提升企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。東麗集團(tuán)于2013年進(jìn)行了一系列的收購(gòu)行為，其中包括3月收購(gòu)日本賽車(chē)設(shè)計(jì)和制造商童夢(mèng)Carbon
Magic公司及其泰國(guó)工廠；7月買(mǎi)入美國(guó)汽車(chē)碳纖維部件供應(yīng)商Plasan Cabon
Composites公司20%的股權(quán)，9月更是“大手筆”以近6億美元收購(gòu)美國(guó)碳纖維生產(chǎn)商卓爾泰克。收購(gòu)結(jié)束后，東麗在全球的碳纖維市場(chǎng)份額將獲得壓倒性的競(jìng)爭(zhēng)力，成為當(dāng)之無(wú)愧的“世界”。
三菱麗陽(yáng)自2012年以來(lái)，相繼與多家下游公司協(xié)作擴(kuò)大碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈，包括2012年11月完成收購(gòu)日本CFRP零件制造商Challenge公司和德國(guó)多軸向織物制造商TK
Industries公司；12月與韓國(guó)SK
Chemicals公司建立了工業(yè)應(yīng)用CFRP預(yù)浸料生產(chǎn)同盟；2013年2月成立新公司整合其在美國(guó)的碳纖維業(yè)務(wù)；3月兼并三菱化學(xué)旗下的丙烯腈單體生產(chǎn)企業(yè)大野綠水公司；9月與泰國(guó)能源企業(yè)PTT就CFRP業(yè)務(wù)簽訂MOU。
2012年12月，東邦宣布已開(kāi)始大規(guī)模在日本松山工廠生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（CFRTP）部件，并計(jì)劃在美國(guó)建立銷(xiāo)售制品和開(kāi)展應(yīng)用開(kāi)發(fā)的新公司，進(jìn)一步加強(qiáng)在汽車(chē)結(jié)構(gòu)材料上的用途開(kāi)拓，努力開(kāi)拓下游市場(chǎng)。
8、企業(yè)以長(zhǎng)遠(yuǎn)的眼光對(duì)待發(fā)展
日本紡織行業(yè)將70%的研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入到新產(chǎn)品新技術(shù)的研發(fā)上，這很可能是日本企業(yè)能夠走在全球行列的重要原因。在碳纖維領(lǐng)域，日本企業(yè)同樣體現(xiàn)出了這樣的特點(diǎn)。以東麗為代表的日本碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，從PAN基碳纖維發(fā)明初期就看清了其作為制造材料的重要價(jià)值，并持續(xù)投資進(jìn)行技術(shù)積累（僅東麗一家至今已投入超過(guò)1
400億日元）。
在政府大力推動(dòng)和支持下，日本碳纖維企業(yè)也相繼制定戰(zhàn)略。2011年4月，東麗發(fā)布了在集團(tuán)長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略“AP-Growth TORAY
2020”的基礎(chǔ)上制定的集團(tuán)中期經(jīng)營(yíng)課題“AP-G-2013項(xiàng)目”，在其“基本策略—企業(yè)的研發(fā)投入對(duì)象”中，條便是“針對(duì)汽車(chē)、飛機(jī)輕量化的CFRP”，更是將1.6×1011日元研發(fā)投入中的50%用于包括CFRP在內(nèi)的“綠色創(chuàng)新技術(shù)”。
另一方面，帝人集團(tuán)于2012年2月公布了其中長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略“CHANGE for
2016”，其中計(jì)劃將包括碳纖維材料在內(nèi)的高性能纖維復(fù)合材料業(yè)務(wù)板塊的銷(xiāo)售額，從2011年的13%提高到2016年的20%，并將每年銷(xiāo)售額的4%～5%作為研發(fā)經(jīng)費(fèi)投入到下一年。
結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)日本碳纖維產(chǎn)業(yè)梳理可以發(fā)現(xiàn)，基于上述多方面因素成就了日本碳纖維霸主的地位，而對(duì)比國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)，政府也進(jìn)行了大力推動(dòng)與支持，并且建立了碳纖維產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，但似乎國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對(duì)于碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈上下游聯(lián)動(dòng)的貢獻(xiàn)微乎其微；而且在碳纖維技術(shù)上，日本碳纖維差異化技術(shù)明顯，反觀國(guó)內(nèi)碳纖維制備路線同質(zhì)化嚴(yán)重，造成了更多的內(nèi)耗。
與近年來(lái)日本碳纖維企業(yè)不斷擴(kuò)能相類似，國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)也在大張旗鼓擴(kuò)能建廠，但是產(chǎn)能上去了，產(chǎn)量卻未能隨之增加，歸根結(jié)底在于產(chǎn)品穩(wěn)定性差、達(dá)產(chǎn)率不高、產(chǎn)業(yè)化核心技術(shù)薄弱等因素，但總體而言，近年來(lái)國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展有目共睹，期待國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)能夠早日在國(guó)際舞臺(tái)上形成競(jìng)爭(zhēng)力
來(lái)自：蒂森新材料
