全球碳纤维技术发展分析及其对我国的启示

　　摘要：碳纤维是一种含碳量在95%以上，高强度、高模量纤维的新型高分子无机纤维材料，力学性能优异，被广泛应使用于航空航天、轨道交通、车辆制造、武器装备等领域。碳纤维研发已被中国列为国家战略性新兴产业。本文简明概述了碳纤维技术领域主要研发国家/地区的研发态势，分析了美、日、欧、韩等碳纤维技术先进国家/地区的发展经验；基于文献计量学分析方法，对2010年以来全球碳纤维研究的论文跟专利产出年度发展动向、率先研发机构、研究热点等进行分析，以反映碳纤维技术主要研发国家/地区、机构的竞争态势；并扫描了2015年以来碳纤维技术研发最新动态跟技术进展，以揭示前沿研发发展动向。论文最后为中国碳纤维技术研发表态了几点建议，以为中国碳纤维技术将来研发决策布局给予咨询建议。

　　1引言

　　碳纤维是含碳量高于95%的无机高分子纤维无机新材料，拥有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐磨擦等优异的基本物理及化学性能，并有高振动衰减性，良好的导电导热性能、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数等特性。这些优异的性能使得碳纤维被广泛应使用于航空航天、轨道交通、车辆制造、武器装备、工程机械、基础设施建立、海洋工程、石油工程、风力能源、体育用品等领域。

　　碳纤维主要关键技术工艺、产能等主要被日本、美国以及欧洲少数发达国家跟地区把控，而且，因为其高技术含量、高利润回报，西方国家长期对中国实行严格的技术封锁。基于碳纤维材料的国家战略需求以及国际技术封锁的紧迫形势，中国已将其列为重点支持的新兴产业的关键技术之一。在国家“十二五”科技规划中，高性能碳纤维的制备跟应用技术是国家重点支持的战略性新兴产业关键技术之一。2015年5月，国务院正式发表《我国制造2025》，把新材料作为重点领域之一进行大力推动跟发展，当中高性能结构材料、先进复合材料是新材料领域的发展重点。2015年10月,工信部正式发表了《我国制造2025重点领域技术路线图》，将“高性能纤维及其复合材料”作为核心战略材料，2020年的目的为“国产碳纤维复合材料满足大飞机等重要装备的技术要求”。2016年11月，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，明确指出加强新材料产业上下游协作配套，在碳纤维复合材料等领域展开协同应用试点示范，搭建协同应用平台。2017年1月，工信部、发改委、科技部、财政部联合制定《新材料产业发展指南》,表态到2020年，“在碳纤维复合材料、高品质特别钢、先进轻合金材料等领域完成70种以上重点新材料产业化及应用，建成跟中国新材料产业发展水平相匹配的工艺装备保障体系。”

　　因为碳纤维及其复合材料在国防跟民生中都要重要作用，不少专家都聚焦于其发展状况跟研究发展动向的分析。周宏综述了美国科学家在高性能碳纤维技术发展初期所做的科学技术贡献，并对碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展进行了扫描跟报道；韦鑫等对聚丙烯腈基碳纤维的生产工艺、性能及应用及当下技术发展情况进行了综述，并针对国内碳纤维发展中存在问题表态了建立性意见。别的，对于碳纤维及其复合材料领域的论文跟专利的计量学分析，也有不少人展开了研究。例如马祥林等从计量学方面对1998—2017年碳纤维我国专利的专利权人分布跟应用领域进行了分析；杨思思等基于Innography平台对全球碳纤维布专利进行了检索及数据统计,从专利的年度发展发展动向、专利权人、专利技术热点跟这个技术的关键专利等进行了分析。

　　从碳纤维研究发展轨迹看来，中国的研究几乎跟世界同步启动，但发展缓慢，高性能碳 纤维的生产规模跟质量跟国外比较都有差距，迫切需要加快研发进程，提前战略布局，抢占将来产业发展先机。所以，本文首先对各国在碳纤维研究领域的项目布局进行调研，以了解各国研发路线规划；其次，因为碳纤维的基础研究跟应用研究对于碳纤维的技术研发来说都极为重要，所以，我们从学术研究成果——SCI论文以及应用研究成果——专利同时进行计量学分析，以全面了解碳纤维领域的研发进展状况；并对近期本领域的科研动态进行扫描，以窥测国际前沿研发进展。最后，基于以上研究结果，为中国碳纤维领域的研究发展路线表态了建议。

　　2主要国家/地区碳纤维研究项目布局

　　碳纤维的主要生产国家/地区包括日本、美国、韩国、欧洲部分国家及我国台湾。技术先进国家在碳纤维技术发展初期已经意识到这个材料的重要性，纷纷进行战略布局，大力推动碳纤维材料研发。

　　2.1日本

　　日本是碳纤维技术最发达的国家。日本东丽、东邦跟三菱丽阳3家企业的碳纤维产量约占全球70%～80%的市场比重。尽管如此，日本仍然十分重视持续在这个领域的优势，尤其是高性能PAN基碳纤维以及能源跟环境友好相关技术的研发，并提供人力、经费上的大力支持，在包括“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”跟“京都议定书”等多项基本政策中，均将此作为应当推进的战略项目。日本经济产业省基于国家能源跟环境基本政策，表态了“节约能源技术研究开发方案”。在上述政策的支持下，日本碳纤维行业得以更加有效地集中各方资源，推动碳纤维产业共性问题的解决。

　　“革新性新结构材料等技术开发”(2013—2022)是在日本“将来开拓研究计划”下实施的一个项目，以大幅完成运输工具的轻量化(汽车减重一半)为主要目的，进行必要的革新性结构材料技术跟不一样材料的结合技术的开发，并最终完成其实际应用。产业技术综合开发机构(NEDO)于2014年接手这个研究开发项目后，制定了几个子项目，当中碳纤维研究项目“革新碳纤维基础研究开发”的总体目的是：开发新型碳纤维前体化合物；阐明碳化结构形成机理；开发并标准化碳纤维的评估方法。这个项目由东京大学主导，产业技术综合研究所(NEDO)、东丽、帝人、东邦特耐克丝、三菱丽阳联合参跟，已在2016年1月获得了巨大进展，是日本继1959年发明“近藤方式”后，在PAN基碳纤维领域的又一巨大突破。

　　2.2美国

　　美国国防预研局(DARPA)在2006年启动先进结构纤维项目，目标是召集全国优势科研力量，开发以碳纤维为主的下一代结构纤维。在这个儿项目支持下，美国佐治亚理工学院的研究小组在2015年突破了原丝制备技术，使其弹性模量提高了30%，标志着美国具备了第三代碳纤维的研制能力。

　　2014年，美国能源部(DOE)宣布为“针对非食用生物质糖类转化为丙烯腈的多步骤催化经历”、“研究跟优化多通路生产生物质衍生的丙烯腈”两个项目给予1130万美元资助，以推进用农业残留物、木本生物质等可再生非食物基原料生产拥有成本竞争力的可再生高性能碳纤维材料相关研究，并计划在2020年在此之前，将生物质可再生碳纤维的生产成本降至5美元/磅以下。

　　2017年3月，美国能源部再次宣布给予374万美元资助由美国西部研究所(WRI)领导的“低成本碳纤维组件研发项目”，主要以煤跟生物质等资源为原料，开发低成本的碳纤维部件。

　　2017年7月，美国能源部宣布资助1940万美元使用于支持先进高能效车辆技术研发，当中670万美元使用于资助利用计算材料工程制备低成本碳纤维，主要包括开发集成计算机技术的多尺度评价方法，使用于评估新碳纤维前驱体的积极性，并利用先进分子动力学辅助的密度泛函理论、机器学习等工具来开发先进计算机工具，以提升低成本碳纤维原料的遴选效率。

　　2.3欧洲

　　欧洲碳纤维产业在20世纪七八十年代紧随日本跟美国发展起来，但由于技术以及资本等原因，不少单一生产碳纤维的企业没有坚持到2000年后的碳纤维需求高增长期就消失了，德国SGL公司是欧洲唯一一家在世界碳纤维市场上占领主要比重的公司。

　　2011年11月，欧盟启动EUCARBON项目，致力于提高欧洲在航天用碳纤维跟预浸渍材料角度的制造能力。项目历时4年，总投入320万欧元，并于2017年5月成功建设欧洲第一条面向卫星等航天领域用特种碳纤维生产流水线，从而使欧洲有望摆脱对这个产品的进口依赖，确保材料供应安全。

　　欧盟第七框架计划以608万欧元支持“利用拥有成本效益跟可调控性能的新型前驱体制备功能化碳纤维”(FIBRALSPEC)项目(2014—2017)。这个项目为期4年，由希腊雅典国立技术大学主导，意大利、英国、乌克兰等多国公司联合参跟，主要致力于创新跟改进连续性制备聚丙烯腈基碳纤维的流程，完成连续PAN基碳纤维实验性生产。这个项目已经成功实现了从可再生有机聚合物资源中生产碳纤维以及强化复合技术的开发应用(如超级电容器、快速应急避难所,以及纳米纤维的原型机械电动旋涂机及生产流水线研制等)。

　　更多的工业领域(例如汽车、风能发电、造艇业)需要轻量高性能复合材料，这对碳纤维产业来说是重大的潜在市场。欧盟投资596.8万欧元启动CARBOPREC项目(2014—2017)，其战略性目的是从广泛存在于欧洲的可再生材料中开发低成本前驱体，通过碳纳米管增强生产高性能碳纤维。

　　欧盟的CleanSky II研究计划资助了一项“复合材料轮胎研发”项目(2017)，由德国弗劳恩霍夫生产跟系统可靠性研究所(LBF)负责，计划开发使用于空客A320的碳纤维增强复合材料飞机前轮部件，目的是较传统金属材料减重40%。项目经费约为20万欧元。

　　2.4韩国

　　韩国的碳纤维研发跟产业化起步较晚，研发始于2006年，2013年开始正式进军实用化阶段，扭转了韩国碳纤维全部依赖进口的局面。以韩国本土的晓星集团跟泰光事业为代表的行业先锋积极进行碳纤维领域行业布局，势头发展强劲。此外日本东丽在韩国建设的碳纤维生产基地也对韩国本土的碳纤维市场起到了促进作用。

　　韩国政府选择将晓星集团打造成碳纤维的创新产业聚集地。旨在形成碳纤维材料产业集群，促进全北地区创意经济生态系统的发展，最终目的形成碳纤维材料→零部件→成品一条龙生产链，建设可跟美国硅谷比肩的碳纤维孵化集群，挖掘新市场，创造新的附加值，到2020年完成碳纤维相关产品出口额100亿美元(折合人民币约552亿元)的目的。

　　3全球碳纤维研究科研产出分析

　　本小节统计了2010年以来的碳纤维研究相关SCI论文跟DII专利成果，以对全球碳纤维技术的学术研究跟产业研发两角度同时进行分析,全面了解国际上碳纤维研发进展。

　　数据来源自科睿唯安公司(Clarivate Analytics)出版的WEB OF SCIENCE数据库中的SCIE数据库跟Dewent数据库；检索时间范围：2010—2017年；检索日期：2018年2月1日

　　3.1年度发展动向

　　2010年以来，全世界共发布相关论文16553篇，申请发明专利26390项，均呈现出逐年稳步上升的态势(图1)。

　　3.2国家或地区分布

　　我国的碳纤维论文跟发明专利申请数量(此处统计优先权国家)均最多，呈现率先的优势；论文数量排在2~5位的依次是美、日、英、韩；发明专利申请数量排在2~5位的国家依次是日、韩、美、德(图2)。

　　3.3机构分析

　　全球碳纤维研究论文产出最多的前10个机构均来自我国，当中排在前5位的依次是：我国科学院、哈尔滨工业大学、西北工业大学、东华大学、北京航空航天大学。国外机构中，印度理工学院、东京大学、布里斯托大学、莫纳什大学、曼彻斯特大学、佐治亚理工学院排在10~20名之间(图3)。

　　专利申请数量排名前30机构中，日本有5家，且当中3家位居前五，东丽公司排名第一，其后依次为三菱丽阳(第2)、帝人(第4)、东邦(第10)、日本东洋纺公司(第24)；我国机构有21家，我国石化集团公司专利量最多，排名第三，其次是哈尔滨工业大学、河南科信电缆公司、东华大学、我国上海石化、北京化工大学等，中科院山西煤化所申请发明专利66件，排名第27位；韩国机构有2家，当中晓星株式会社排名靠前，居第8位(图4)。

　　产出机构上看，论文产出主要来于大学及科研机构，专利产出主要来于公司企业，能够看的出，碳纤维制造是一项拥有高技术含量的产业，作为碳纤维研发产业发展的主体，公司企业都十分重视碳纤维研发技术的保护，尤其是日本2大公司，专利数量遥遥率先。

　　3.4研究热点

　　碳纤维研究论文涉及最多的研究主题是：碳纤维复合材料(包括碳纤维增强复合材料、聚合物基复合材料等)、机械性能研究、有限元分析、碳纳米管、脱层、加强、疲劳、微结构、静电纺丝、表面处理、吸附等。涉及这些核心词的论文占全部论文数量的38.8%。

　　碳纤维发明专利涉及最多的主题是碳纤维的制备、生产设备及复合材料。当中，日本东丽、三菱丽阳、帝人等公司均在“用碳纤维增强高分子化合物”领域进行了重要技术布局，别的，东丽跟三菱丽阳在“聚丙烯腈制作碳纤维及生产设备”、“用不饱跟腈，如聚丙烯腈、聚偏氰化物乙烯制作碳纤维”等技术上有较大份额的专利布局，而日本帝人公司在“碳纤维跟含氧化合物复合材料”有较大份额的专利布局。

　　中国中石化集团、北京化工大学、中科院宁波材料所在“聚丙烯腈制作碳纤维及生产设备”上有较大份额的专利布局；别的，北京化工大学、中科院山西煤化所跟中科院宁波材料所重点布局“用无机元素纤维作为配料的高分子化合物制备”技术有；哈尔滨工业大学重点布局“碳纤维的处理”、“碳纤维跟含氧化合物复合材料”等技术。

　　别的，从全球专利的技术年度分布统计中发现，近日三年一些新的热点领域开始出现，例如：“由在主链中形成羧酸酰胺键合反应得到的聚酰胺的组合物”、“由主链中形成1个羧酸酯键反应得到的聚酯的组合物”、“以合成材料为主的机动车材料”、“环状多羧酸的含氧化合物作为配料的碳纤维复合材料”、“以三维形式固着或处理纺织材料的方法”、“不饱跟醚、乙缩醛、半缩醛、酮或醛通过仅涉及碳—碳不饱跟键的反应而制得的高分子化合物”、“绝热材料管子或电缆”、“以磷酸酯类有机物作为配料的碳纤维复合材料”等。

　　4对中国碳纤维技术研发的建议

　　4.1前瞻布局，目的导向，聚焦突破第三代碳纤维技术

　　中国第二代碳纤维技术尚未全面突破，如不及时和进第三代碳纤维的技术开发，会拉大中国跟国外下一代航空武器装备性能之间的差距。中国应及早进行前瞻性布局，将中国的相关顶尖科研机构汇聚起来，集中攻克核心技术，聚焦第三代高性能碳纤维制备技术研发(即适使用于航空航天的高强度、高模量碳纤维技术)，以及碳纤维复合材料技术的研发，包括面向汽车、建筑修补等的轻量化、低成本大丝束碳纤维制备研究，碳纤维复合材料的增材制造技术、回收技术跟快速成型技术等等。

　　4.2统筹组织，强化支持，设立巨大技术项目保持支持协同攻关

　　对于涉及国家安全跟巨大经济利益的核心关键技术，中国必须要掌握在自己手里，碳纤维技术就是当中之一。当下中国展开碳纤维研究的机构相比多，可是力量分散，缺少有效协同攻关的统一研发组织机制跟强有力的资助支持。从先进国家的发展经验来看，巨大项目组织跟布局对本技术领域的发展起着极大的推动作用。应集中中国优势研发力量，针对中国碳纤维突破性研发技术启动巨大项目攻关，强化协同技术创新，继续推进中国碳纤维研究技术水平，抢夺国际碳纤维及复合材料研发制高点。

　　4.3完善技术成果应用效果导向的评价机制

　　从SCI论文计量学分析方面看，中国的碳纤维作为一种高强性能材料应使用于各种领域的研究较多，而对于碳纤维生产制备技术，尤其是聚焦于降低成本、提升产效的研究较少。碳纤维生产工艺流程长、技术核心点多、生产壁垒高，是多学科、多技术的集成，需要突破的技术障碍不少，要高效推进“低成本、高性能”的关键制备技术研发，一角度，需要加强研究投入，另一角度，需要弱化本领域科研绩效评价的论文产出导向，强化技术成果应用效果评估导向，从注重论文发布的“数量型”评价转向成果价值的“质量型”评价。

　　4.4加强尖端技术复合型人才培育

　　碳纤维技术的高技术属性决定了专业化人才的重要性，是否具有尖端关键技术人才直接决定着一个机构研发水平的高低。

　　因为碳纤维技术研发环节不少，应当注重复合型人才培育，以保证各环节研发的配合衔接。别的，从中国碳纤维研究发展史看来，技术关键专家的流动往往成为影响一个研究机构研发水平的核心因素。在生产工艺、复合材料跟主要产品上可以持续关键专家跟研发团队的固定，对于继续完成技术升级非常重要。

　　应当不断加强本领域的专业化高技术人才培育跟运用，完善对技术研发型人才的评价跟待遇政策，加强对青年人才的培养，积极支持跟国外先进研发机构的合作跟交流，同时大力引进国外先进人才等等，这将对中国的碳纤维研究的发展起到极大的推动作用。