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2017全球碳纤维复合材料市场报告(五)
中国玻璃纤维复合材料信息网 (cnbxfc.net) 发布日期: 2018-05-09  阅读: 458  字体:  双击鼠标滚屏
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  8 观察、思考与建议
  回想2016年的报告,我们对整个产业的看法是黯淡的,寄希望于国家“重点新材料研发与应用”的重大专项上,也大篇幅介绍了以马凯副总理领导的国家新材料产业发展领导小组的指导思想,去年的风格是明显的“产业政策”派。然后在2017年市场发生的一些事件,无论是国际碳纤维公司推出的新产品,德国西格里回购宝马公司在汽车碳纤维合资公司的股份,还是国内市场的出奇的火爆,都让我们隐隐地感受到强大的市场力量。
 
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  去年,我们参与了一些产业政策的前期调研工作,寄予厚望的两大碳纤维主力应用市场-汽车与风电,进入了扑朔迷离、难以判断的状态。在汽车领域,我们是“跟随型”的思维模式,国际汽车巨头只要进入“为什么要用碳纤维?国际巨头肯定做了详细的分析与肯定”的结论,紧跟即可,当国际巨头传出对碳纤维应用不利的声音后,我们陷入了迷茫。在风电领域,我们是“探究真理型”思维模式,不管世界应用现状,先研究叶片轻量化价值,从性价比上,搞清楚风电产业不得不用碳纤维的理由。然而,国内风电行业没有一家有批量使用碳纤维的工程经验,不能给出叶片轻量化价值的系统经验数据。两条思维路径均难于找到明确的答案,这不得不让敬畏一个事实:任何人及任何组织的认知能力是有限的,在制定产业政策时,要给市场力量留下充分的余地与发挥空间。
  既然市场是不可控的,市场行为是不受产业政策指挥的,我们是否还需要制定产业政策?回到中国碳纤维产业的现状:“小、散、乱”确实是事实,尽管与传统产业的状况有所区别,对比国际上长久存在的8家碳纤维大公司,我们曾经有超过40家的碳纤维投资项目;我们科研体系几乎与国际同时起步,国家高度重视,科研投入也不菲,但至今为止,并未产生国际影响力的学术成果;我国的工程与项目投入,不亚于世界任何国家,既没有产生影响世界的技术成果,更未出现具有国际竞争优势的企业……当然,这其中确实有碳纤维的行业特色问题,国际公司也是经历了数十年的积累才实现盈利。然而,也存在市场力量在碳纤维产业的“失灵”,甚至“胡作非为”的问题。在中国国情下,仅仅依靠市场力量去解决问题,似乎有些理想化,产业政策是必要的。
  产业政策与市场力量,学术争论常常容易陷入极端,理论推导的往往基于是理想状态的假设,在解决实际问题时,遇到的是非理想状态,甚至是非合理状态的现实问题,解决问题的智慧就体现在:认可现实存在,吸收各派学术理论的养分,兼容并包,找出最能出成效的适中方法。比如基础研究问题,仅靠市场力量,科研工作者就难以静心做学问,搞点成果就不得不急于变现,这是各类政策作用下的现实存在,如何集聚目前分散的科研资源?让科技人员能静心做研究,这就是产业政策可以发挥作用的地方。体育器材是我国的碳纤维应用的优势行业,不仅是充分市场化的行业,还是典型的为品牌服务的代工体系,用市场行为去打造自主品牌异常艰难,我国有宏伟的体育产业发展战略,如巧施产业政策,借助国家力量,支持品牌建设、可大幅度提升产业价值。去年国内风电行业出现重大变化,VESTAS 将订单从外转到本土企业,带动相当部分国产纤维的需求,2018年可预期更大的驱动效应,对这类产业政策很难预计与规划的市场力量,我们需保持充分的敬畏。国际碳纤维行业的低成本已经形成潮流,各类低成本技术创新风起云涌,其中,市场力量与产业政策在共同发挥驱动作用。
  国际碳纤维低成本技术及思考
  2016年初,《日本经济新闻》报道的由日本NEDO领导,东京大学、东丽、东邦、三菱人造丝等企业与院校合作开发的“创新碳纤维基础技术”取得重大突破。这个报道中包含的技术信息与动态,让我们久久不能平息。该研发计划抓住了热稳定化(预氧化)这个工艺的瓶颈问题,从PAN基原丝找到“既完成热稳定化,又能被溶液溶解”的聚合方式(也包含新型热稳定性前驱体原丝),通过此思路,可消除碳化线上的冗长、高能耗的预氧化工艺瓶颈,从而可采用更高速、高效的碳化(微波)与表面处理(常温常压等离子体)工艺,有望实现碳化线产能增加10倍的目标。日本宣称:目前使用的技术是近藤工艺(1959年,日本大阪工业试验所的近藤昭男Dr. Akio Shindo发明了PAN基碳纤维的制备工艺,但制备的纤维性能一般,1963年,英国皇家航空研究所(RAE)的瓦特和约翰逊利用预氧化中反应施加张力,而获得高性能碳纤维,近藤与瓦特共同构建了这个工艺路线,目前全世界依然是沿用该工艺,所以,准确叫法应该是“近藤瓦特工艺”)。该工艺的重大困难是:利用热风对PAN进行热稳定化的过程,消耗的能耗与碳排放均是钢铁的10倍以上,目前通过氧化炉的设备优化,提升除热效率而提升产能或降低能耗的努力已经达到极限。所以,必须对此技术做出深刻的变革。真可谓“成也萧何败也萧何”,“热稳定化”这个萧何始终是碳纤维技术舞台的主角。
  国际上有不少的碳纤维基础研究的创新报道,基于我们目前的技术认识水平,我们认为日本NEDO的创新是上上品:它展现了日本碳纤维业界对碳纤维技术超出世人的深刻理解;抓住了当前技术的牛鼻子-热稳定化工艺(一切原丝是为热稳定化服务的,这里的热稳定化除了字面意义,还包含便于预碳化的分子结构的专业内涵-笔者浅见);展现的战略雄心是:不仅在高性能碳纤维称霸世界,也要在低成本工业碳纤维领导世界,世界碳纤维技术的换代由日本人创造;最值得借鉴的他们的系统的技术思想,发现碳化的问题,从上游原丝去寻找解决问题的思路。
  当然,日本人也指出,这是基础研究,形成真正产业化技术,还需大约十年的时间。所以,对于中国,我们应该做的是:科研院校抓紧跟踪研究;对于企业界,我们更需要借鉴的是:发现当前技术短板、解决问题的技术思想,但切忌盲目跟进。并非最先进的技术就能产生最大的企业效益,就NEDO上述的技术,碳化线去除了热稳定化工艺,确实大大提升了碳化效益,如果因此创新而导致原丝效率下降或成本大增,这就不一定是工业当前应采用的技术。
  美国方面曾经报道:采用低成本的腈纶来生产碳纤维,可将碳纤维的性能做到了T400的水平上。这貌似一个较好的低成本思路,用低成本的腈纶来替代原丝,获得低成本的碳丝。对比上述日本人的技术思想,美国人显得太“投机取巧”了。先,腈纶成本低于原丝的关键是:超大丝束(毛条)与相对小丝束原丝带来的不同单线产能对总成本的分摊;对腈纶做预氧化碳化处理,并无太大的技术难度,关键是时间太长,效率太低,导致制造成本并不低;400-600K的碳纤维毛条该如何进入下游应用,这也是一个挑战。由于采用了低成本的腈纶,给本身就是短板与瓶颈的热稳定化增加了更大的难度,这种顾头不顾尾的技术思想,与日本业界不在一个层次。
  上述是国际上研究碳纤维低成本技术的主流思路,从当前国际技术水平看,以高效热稳定化为核心,提升本工序的效率或创新前驱体原丝、使其分子结构更利于高效的热稳定化工序,这是国际的研究热点。值得注意的是,这些研究热点的起因是低成本,但其方法并非牺牲高性能,反之,更合理的热稳定化反应可以释放更多纤维性能潜能。低成本技术不是“偷工减料”,不是以毛糙替代精细,反之,低成本技术更深谙PAN的化学反应机理、工程手段更加精密、能耗更加趋向理论、工艺控制更加数据化。这类低成本技术的水平远远高于当今的技术(日本称之的近藤工艺)!有人说:这些低成本技术确实好,但是,要推翻运行了50多年的、已经逐步成熟的近藤工艺,是否在工业上可行?是否在商业上划算?先,以热稳定化为核心的低成本技术本身就源于工业的痛苦,它并非一套全新的理论,对现有工业体系,手段是局部革新,总体的效益是革命性的。“降低放热峰,缩短预氧化时间”,是每家碳纤维企业一直在努力与进步的:有些机构把重心放到原丝线上,而有些放到碳化线。原丝与氧化碳化专业也鼓吹各自专业的重要性,早些年,我国就流行过“原丝靠工艺,碳化靠装备”的不客观的说法。当我们面对:现有的热稳定化工序居然有180个输入变量,美国橡树岭能把普通腈纶碳化成T400级别的碳纤维,我们可能需要更多的系统性思考。
  原丝与碳化本应成为不可分割的整体与系统,我们的目标是形成乱层石墨结构的纤维,主要经历了分子的环化与分子间的交联环化,去除其他有机物的工序,为了获得这样的目标产物,应该有一种怎样的前驱体存在形式呢?当前的PAN基前驱体,是分子量6-8万的线性长分子,由于分子链上分布有极性的腈基,可以看成是“柔中潜刚”的分子,柔便于可纺,刚(环化反应)便于未来的石墨片层的形成。如果考虑“刚”需求,中间相沥青的沥青无疑比PAN基“刚”得多,含有大量的稠环,但初始分子量只有300-500,这属于“又短又刚”的,极度缺乏柔性,可纺性差,但稠环分子的存在,确实利于后续石墨片层的形成。解决了可纺性,后续的氧化碳化,比PAN基的任务轻。通过上述的比较,就单纯从“柔”与“刚”的辩证关系上,就会有多条技术路径:“柔中潜刚”-现有PAN基技术,“柔中带刚”-日本NEDO的技术,“又短又刚”-当前沥青基碳纤维,包括带芳环的其他生物基,“刚中补柔”-目前沥青基发展方向,“又柔又刚”-高耐热塑料,如聚酰亚胺PI纤维,芳纶……对比上述的各种路径后:从当前的技术水平,PAN基尽管为碳化工序赋予了繁重的任务,但毕竟由于腈纶的基础,形成了品质稳定、成本可控的前驱体,依然是当今的主流工艺;沥青基后续碳化任务小,得率高,原材料可源自化工的废弃物,只要可纺性中间相制备有大的技术突破,利用其“刚”的本性,可与PAN基交相辉映。真是造物弄人啊,自然界很难提供完美的前驱体!上述的描述缺乏学术严谨,希望尝试用浅显的语言来说明其背后的技术思想,敬请技术专家斧正。
  东丽公司战略带给我们的启示
  从产业方面,东丽当之无愧的是行业领袖,对其了解越多,越尊重这家企业。让我们大致回顾一下这几年东丽的作为,借此来调整国内企业的战略与思维。
  2015年初,东丽收购了常与之 “唱对台戏”的ZOLTEK. 行业对此褒贬不一,我们认为:不同的观点的差异点是对大丝束碳纤维的理解。外行最大的误解是:能做高精尖的小丝束企业,做低成本大丝束完全没有技术问题。大小丝束其实是两个不同的世界:ZOLTEK原丝有一个独特的价值,世界上似乎没有第二家这么商业化运行,通过对腈纶老生产线的局部改动来生产原丝,其他原丝企业,即使还拥有腈纶产业,也是参考了腈纶技术,新建生产线制造原丝的,这里面有个资本折旧的成本差异;东丽公司,如无重大技术革新,就现有的技术路线,在日本本土不太可能做到比ZOLTEK更低的成本,即使是当今大丝束技术水平最高的三菱丽阳,也很难在日本做到ZOLTEK原丝的低成本,而东丽的小丝束没有这样严酷的成本压力;没有碳纤维成本的优势,就不太可能与汽车、风电应用联姻。多年来,东丽在汽车复材下了巨大的工夫,但商业化的成效并不显著,眼睁睁看着SGL在汽车领域、ZOLTEK在风电领域风光无限;东丽对市场的预测是很客观的:工业应用的碳纤维用量会远远超高航空航天、体育器材这些传统应用,如果不对ZOLTEK收购,ZOLTEK保持正常发展,很可能在2020年产量就能反超东丽,成为世界第一。收购之后,东丽占据这大小丝束两个世界,霸主地位牢不可破。
  众所周知,东丽在T700为主的传统市场,一直承受着全球几乎所有的碳纤维企业的竞争,各家企业都在步步蚕食这个传统市场,价格竞争愈演愈烈。东丽已经将绝大部分T700的产能转移到韩国去生产,以获得更多的成本优势;去年11月,东丽宣布Z600产品系列计划,利用ZOLTEK在墨西哥的低成本原丝生产技术,开发小丝束,性能高于大丝束,但低于小丝束的产品。Z600的亮点是低成本,这个项目大约2018年底建成,我们预计:Z600将对以T700的市场(传统的碳纤维市场)的所有竞争对手一轮血雨腥风的清洗。对于中国市场,2017年消耗的23,487吨中,有85%的市场属于这个传统市场,对于这一轮东丽的打击,国内碳纤维企业该如何应对?
  我们再看看东丽在2017年的碳纤维销售的重大成效:除了之前的波音公司的长期合同,2016年与美国SPACE X 的长期合同,2017年,东丽与欧洲著名火箭公司AVIO签订长期合同,同年,与法国著名航空发动机公司SAFRAN在长期合同基础上的新合同。在碳纤维大部分应用领域的顶级公司,均是东丽公司的长期用户。我们做过复合材料应用开发公司的同仁应该很清楚,这是个多么艰难的工作。其过程的技术复杂与难度并不亚于碳纤维本身的制备,把碳纤维批量用到高端产业的构件上,确实是伟大的工程。
  东丽公司的战略与践行,有两个方面值得我们深思:先是碳纤维方面,从专注于高性能小丝束,转而收购低成本大丝束,然后对两个方面做深度融合,先融合的成果是中等性能、低成本、小丝束的Z600,我想以后还会推出高性能、低成本、大丝束产品。当年,ZOLTEK的老板RUMY先生常在国际会议上批评日本企业“So many seemingly smart people do so many dumbthings” (太多貌似聪明的人做了太多蠢事)批评的要点是:“日本企业缺乏行业担当,供应充足时,低价倾销,打击对手,维护市场份额;供应短缺时,暴利销售,阻碍新的应用发展。” (上述言论摘自2010年国际碳纤维会议的ZOLTEK的报告)今天,以东丽为的日资企业,已经悄然改变了,他们利用了优质用户带来的精准市场信息,制定并落实了宏大的战略。东丽的市场全覆盖产品策略,我们国内某些只聚焦于“赶超东丽高性能”的人士该醒醒了,一窝蜂去占领东丽的主峰(赞成有少数军工相关的少数机构这么做),结果人家把整个阵地给全覆盖了,就两三个人,举着旗子站在主峰上,看着下面黑压压的对手。没有强大的工业基础,军工的现代化是很难有持续发展的,利用举国之力去打造一些行业的冠军,完全做得到,但一定会付出超额的成本。
  需求牵引与应用驱动方面,东丽是成功典范。对我们是个巨大的难题。政府、社会与企业做了大量的努力,其中有一个饱含争议的话题是:碳纤维企业是否该建设完整的产业链。支持者认为:我们国家的应用产业技术水平相对落后,很多行业不懂去用好碳纤维复合材料,为了销售碳纤维,不得不去建设产业链,否则怎么破局啊?这是事实,国内一些汽车厂家就骄傲地对碳纤维行业讲:“你们把零件给我做好,还要有批量能力,我再对比一下现在的零件成本,看是否用你们的!”。反对者的观点:从原丝、碳化、中间制品、树脂、预浸料、复材设计、成型工艺、检验检测,每个环节均有大量的技术含量,国际大公司都没有能全盘驾驭的,我们的企业技术能力是否够?面面俱到,结果哪个环节都不精,缺乏技术竞争优势。两方观点均有足够的道理,让我看看东丽的一些经验:
  东丽公司以碳纤维为核心,逐步根据航空航天的市场布局中间制品(预浸料与织物),其中也有一些国际并购。在复合材料领域,东丽这些年主要发展是轻薄电脑外壳,短切增强塑料,碳纤维纸以及汽车零部件,这个领域,也主要通过国际并购完成。详细的制造工厂分布如下表。
 
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                                                Source:东丽官网信息整理
  在2018年三月份,东丽宣布用9.3亿欧元收购荷兰皇家TenCate先进复合材料公司,该公司核心技术是热固性与热塑性预浸料。作为预浸料技术的高手,东丽为何不自行开发呢?因为Tencate拥有东丽薄弱的双马来、氰酸酯及聚酰亚胺等耐高温的热固预浸料,还拥有PPS,PEEK, PEKK等热塑性预浸料技术,更为重要的是,这些材料已经获得国际航空航天企业的认可。有趣的事:上述绝大部分技术,也并非Tencate自行开发的,是近20年通过并购美国Bryte,Phoenixx,YLA,CCS,PMC Baycomp 和英国Amber Composites而组建的。(资料来自东丽官网)
  东丽打造产业链,以及其他国际碳纤维巨头的类似经验告诉我们:由于碳纤维产业链各个环节技术都相对复杂,难于做精,在一个车间下完成所有的产业链,技术难度巨大,是我国企业无法承受之重。这些年,中国的企业已经成为国际并购的重要力量,深刻了解国际上碳纤维复合材料产业链中有技术及商业价值的公司,通过合理并购,将我们的碳纤维与之嫁接,打造我们自己产业链,这既是行业面临的机遇,也是挑战。
  复杂技术产业决定了我国工业文明程度
  纤维复合材料是典型的复杂技术产业,对比我国目前大部分简单技术产业,简单技术产业的核心竞争力来自生产要素,所以发达国家为追求利润最大化,不吝向发展中国家转移。复杂技术产业的核心竞争力为创新与系统化技术,代表着工业文明程度,反映着社会经济的治理水平,支撑着国防军事能力,只能自主发展。复杂技术产业的成功与否,决定了国家能否完成从中国制造到中国创造,能否顺利跨越中等收入陷阱,能否实现高度工业文明的重要标志。复杂技术产业的关键环节是“学术、技术、工程和商业化应用”体系的建设。这事关科研院校学术方向,企业的创新能力建设以及政府与社会的治理能力。其中的科学规律、理论值得深入研究,典型的成功案例值得向全社会示范、引导与宣传。
  在简单技术领域,我们的产业实践多次验证了“后发优势”并取得了举世瞩目的成果。复杂技术领域,是否真正存在“后发优势”和“弯道超车”的便宜可捡与捷径?这是个值得深思的命题。复杂技术产业有一个共性难题,就是产业链价值的打造与实现价值链收益异常困难,这其中,应用的开发与创造是所有工作的统帅。对于碳纤维复合材料,国家提出“需求牵引”,然而,我们国家确实缺乏波音、空客、通用电气、维斯塔斯与宝马汽车等引领世界产业发展与创新的龙头企业。我们的产业大都是模仿发达国家而来,就碳纤维复合材料的主要应用,均是国际企业率先开发、我们跟进的。另一方面,国际龙头企业,带着我们产业一起开发应用,如同风电行业和体育器材行业,我们又很容易落入代工的境地,只能赚产业链的辛苦钱,命运掌握在别人手中。我们的出路在哪儿?
  我们介绍两个行业的事先是碳纤维在航天领域的应用,这个行业不是个开放的市场化行业,我们借鉴西方的信息极其有限,只能自力更生,以需求为牵引,带动了整个价值链的构建与发展,不仅催生了中国碳纤维复合材料产业的诞生,也产生了具有国际竞争优势的企业。另一个例子是抽油杆,尽管碳纤维抽油杆的概念来自发达国家,但并未实现商业化应用,中石化组织了产学研用的深度合作,从纤维、抽油杆成型工艺,推广到油井试用,整改、调整作业方式,最终将碳纤维复合材料抽油杆的理论优势变成了油田的实际效益,这是个重大的系统工程成就。
  努力扩大应用市场这块蛋糕,而不仅仅为分蛋糕而相互厮杀,这是碳纤维复合材料企业的责任与使命,有专家就开玩笑:“碳纤维生产企业的生产线上从来不用碳纤维”。针对各家企业的优势资源,如果能做成自己的“蛋糕”,不仅解决了自身纤维销售问题,还能惠及整个行业。上述抽油杆的开发就是一个很好的案例。在大胆开发新应用方面,我们既要认真学习发达国家已有的经验教训,也要有敢闯敢试的勇气,我国有很多产业优势,已经是发达国家远不能比拟的:比如蓬勃建设的高铁建设;大量的桥梁、机场、减重建设工程;庞大的体育休闲产业消费群体;世界最大的风电市场与产业……另外,从供给方面,我们各家碳纤维大厂要加强“差别化碳纤维”的开发,今后,不必再按东丽的产品型号来开发,要根据具体应用,做出特色产品,比如气瓶碳纤维,汽车传动轴碳纤维,风电碳纤维……。 供给与各自应用蛋糕,将形成中国特色的产业。
  国家的战略导向是另一股推动应用的力量,克强总理一提到“马桶盖”与“笔芯”,短短时间内,国人就用上高质量的国产产品。在推动“碳纤维复合材料的应用”与“产业因新材料而创新”方面,政府的产业政策引导大有可为。四十年在中国大地的发生的经济奇迹是源于一场深刻的思想解放,从简单制造业到工业文明的新征途中,我们需要新的思想解放,那就是-敢为天下先!
  本文连载已完结,感谢大家的支持与厚爱!

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