引言
高性能纖維是新材料產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是我國化纖行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展關(guān)鍵材料，其發(fā)展水平關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家戰(zhàn)略安全。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在政府、企業(yè)、科研院所、行業(yè)協(xié)會(huì)的共同努力下，我國高性能纖維行業(yè)狠抓關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，著力拓展下游應(yīng)用，產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術(shù)進(jìn)步、體系建設(shè)等全面推進(jìn)，大幅縮短了與發(fā)達(dá)國家近30年的水平差距，取得突破性進(jìn)展和明顯成就。目前國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能約28%，芳綸約占23%，超高分子量聚乙烯纖維約占66%。整體上看，我國高性能纖維已成為全球產(chǎn)品覆蓋面及應(yīng)用范圍最廣的國家，碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維生產(chǎn)規(guī)模位居世界前三，主流產(chǎn)品技術(shù)水平、產(chǎn)量和質(zhì)量已居世界先進(jìn)水平。國產(chǎn)高性能纖維的快速發(fā)展為我國制造業(yè)核心競爭力提升注入了新動(dòng)力，對航空航天、國防軍工、風(fēng)力發(fā)電、土木建筑、汽車輕量化、海洋工程等領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。
01
我國高性能纖維發(fā)展現(xiàn)狀
1.1產(chǎn)業(yè)整體規(guī)模穩(wěn)步擴(kuò)大
2021年我國高性能纖維總產(chǎn)能約19.5萬噸，產(chǎn)量約10.2萬噸，碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維和連續(xù)玄武巖纖維等產(chǎn)量已突破萬噸(表1)，其中碳纖維產(chǎn)量29000噸，產(chǎn)品可覆蓋高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模、高強(qiáng)高模型碳纖維(主要品種相當(dāng)于T300級(jí)、T700級(jí)、T800級(jí)、T1000級(jí)、M40級(jí)、M40J級(jí)、M55J級(jí)等)。聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維等產(chǎn)品穩(wěn)步發(fā)展，聚醚醚酮纖維、碳化硅纖維、聚對苯撐苯并二噁唑纖維、全芳香族聚酯纖維等制備關(guān)鍵技術(shù)取得新進(jìn)展。
1.2技術(shù)裝備水平顯著提高
高性能纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)不斷提升，纖維質(zhì)量以及系列化、差別化水平、生產(chǎn)穩(wěn)定性等有了顯著提高(表2)。
1.2.1碳纖維
一是國產(chǎn)碳纖維原絲形成了二甲基亞砜(DMSO)、二甲基乙酰胺(DMAc)、硫氰酸鈉(NaSCN)三種生產(chǎn)工藝體系，干噴濕紡和濕法紡絲工藝技術(shù)逐漸完善，生產(chǎn)效率進(jìn)一步提升；二是碳纖維核心技術(shù)不斷突破，在實(shí)現(xiàn)T300級(jí)碳纖維產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)上，又相繼實(shí)現(xiàn)了T700級(jí)、T800級(jí)，以及24k以上工業(yè)用碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，同時(shí)T1000級(jí)、T1100級(jí)、M55J級(jí)、M60J級(jí)、48k大絲束碳纖維等關(guān)鍵技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了突破。與日本東麗公司相比，我國二甲基亞砜系列產(chǎn)品基本全覆蓋日本東麗同系列碳纖維品種。我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程見表3。
1.2.2有機(jī)高性能纖維
我國對位芳綸突破了千噸級(jí)產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，高強(qiáng)型、高模型對位芳綸產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，高強(qiáng)型對位芳綸在個(gè)體防護(hù)裝備上完成應(yīng)用驗(yàn)證，開發(fā)了原液著色對位芳綸長絲，突破了超高強(qiáng)對位芳綸(相當(dāng)于Kevlar-KM2級(jí))制備技術(shù)，可用于軍用防彈頭盔等。超高分子量聚乙烯纖維差別化技術(shù)進(jìn)一步提升，超高強(qiáng)、高模、細(xì)旦、耐熱、抗蠕變等新產(chǎn)品，以及新一代纖維專用樹脂制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破。聚酰亞胺纖維突破了聚合物合成、纖維成形、后處理、生產(chǎn)裝備等一系列關(guān)鍵技術(shù)，形成了高耐熱型、耐熱易著色型、高強(qiáng)高模型三大系列，覆蓋超細(xì)、常規(guī)、粗旦等多種規(guī)格，并自主研發(fā)了聚酰亞胺纖維原液著色技術(shù)。聚苯硫醚纖維開發(fā)了細(xì)旦化產(chǎn)品(1.1旦)，可進(jìn)一步提高高溫過濾材料的過濾精度。
目前，我國已突破了阻燃高強(qiáng)液晶聚芳酯纖維關(guān)鍵技術(shù)。此外，聚四氟乙烯纖維通過形態(tài)結(jié)構(gòu)控制、創(chuàng)新纖維制造技術(shù)和成套生產(chǎn)設(shè)備，提高了聚四氟乙烯纖維濾料的過濾精度和強(qiáng)度，研發(fā)了包含超細(xì)、催化、增強(qiáng)等不同纖維的多層次濾料，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)排放煙氣的一體化處理。
1.2.3無機(jī)高性能纖維
連續(xù)玄武巖纖維規(guī)�；馗G、一帶多漏板(24)技術(shù)取得新進(jìn)展，形成了高強(qiáng)型、高模型、耐堿型三大系列產(chǎn)品。此外，漏板技術(shù)實(shí)現(xiàn)較大提升，漏板壽命提高到近6個(gè)月，整體生產(chǎn)成本消耗不斷下降；同時(shí)，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)初步應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對窯爐內(nèi)溫度、電流，氣體及熔體流速等參數(shù)判別，進(jìn)而優(yōu)化窯爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升窯爐熔制技術(shù)水平，單回路智能表控制技術(shù)提高了溫度、漏板、拉絲機(jī)等控制精度。
連續(xù)碳化硅纖維突破第二代產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，并完成國家重點(diǎn)型號(hào)定型，同時(shí)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、核電ATF事故容錯(cuò)材料組件等領(lǐng)域開展了復(fù)合材料試驗(yàn)。
1.2.4高性能纖維裝備
聚酰亞胺纖維批次聚合反應(yīng)釜、紡絲組件、計(jì)量泵、卷繞機(jī)、熱處理裝備等關(guān)鍵零部件均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化；超高分子量聚乙烯纖維已實(shí)現(xiàn)成套裝備的國產(chǎn)化，并逐步優(yōu)化升級(jí)，單線產(chǎn)能超過300噸／年，并突破耐熱、抗蠕變超高分子量聚乙烯纖維的成套裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)；突破3000噸級(jí)碳纖維整線裝備和500mm、1000mm寬口高溫石墨化爐設(shè)計(jì)制造技術(shù)；間位芳綸和對位芳綸成套裝備均已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化；瀝青基碳纖維生產(chǎn)設(shè)備制備技術(shù)取得突破。
1.3產(chǎn)品應(yīng)用能力不斷提升
隨著國內(nèi)對高性能纖維認(rèn)識(shí)理解不斷深入，國產(chǎn)高性能纖維質(zhì)量不斷提高，應(yīng)用水平也持續(xù)提升。一是產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓展。目前高性能纖維已廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工、風(fēng)力發(fā)電、土木建筑、汽車工業(yè)、軌道交通、海洋工程、光纜通信、安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)、體育休閑等領(lǐng)域，并已形成特定領(lǐng)域的穩(wěn)定應(yīng)用。二是產(chǎn)品應(yīng)用規(guī)模逐步擴(kuò)大。高性能纖維各細(xì)分領(lǐng)域市場應(yīng)用均保持穩(wěn)定，個(gè)別領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大。
2021年國內(nèi)高性能纖維的總消費(fèi)量約14.9萬噸，其中碳纖維應(yīng)用總量達(dá)到62300噸，國產(chǎn)碳纖維用量占比為46.5%，特別是風(fēng)電葉片用量達(dá)到22500噸，成為拉動(dòng)我國碳纖維應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)滿足了國際風(fēng)電葉片的使用需求。此外，體育休閑領(lǐng)域用量約20000噸，碳碳熱場材料用量約為5000噸，壓力容器用量約3000噸，均實(shí)現(xiàn)較大增長。芳綸實(shí)際用量約26000噸，其中間位芳綸在高溫過濾、阻燃防護(hù)、電氣絕緣和蜂窩材料等領(lǐng)域用量保持平穩(wěn)，對位芳綸在光纜通信、防彈材料、汽車工業(yè)等領(lǐng)域用量逐漸增長。超高分子量聚乙烯纖維用量約為25000噸，在繩網(wǎng)、防切割手套、民用市場等領(lǐng)域用量保持增長，手套領(lǐng)域仍以出口為主。采用聚酰亞胺纖維開發(fā)的防護(hù)面料已成功應(yīng)用于森林武警防護(hù)服。
1.4龍頭企業(yè)實(shí)力大幅增強(qiáng)
經(jīng)過多年發(fā)展與積累，我國培育了一批各行業(yè)的骨干龍頭企業(yè)。例如中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司、威海光威復(fù)合材料股份有限公司、江蘇恒神股份有限公司、吉林碳谷碳纖維股份有限公司等碳纖維生產(chǎn)龍頭企業(yè)；煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司、中化國際(控股)股份有限公司、中芳特纖股份有限公司為代表的芳綸生產(chǎn)企業(yè)；九州星際科技有限公司、北京同益中新材料科技股份有限公司、中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司為代表的超高分子量聚乙烯纖維生產(chǎn)企業(yè)；四川安費(fèi)爾高分子材料科技有限公司為代表的聚苯硫醚纖維生產(chǎn)企業(yè)；江蘇奧神新材料股份有限公司、長春高琦聚酰亞胺材料有限公司為代表的聚酰亞胺纖維生產(chǎn)企業(yè)；浙江石金玄武巖纖維有限公司、四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司為代表的連玄武巖纖維生產(chǎn)企業(yè)。形成了如江蘇、吉林和山東等高新纖維及其制品的產(chǎn)業(yè)集聚地。
同時(shí)，產(chǎn)業(yè)集中度也進(jìn)一步提高，中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、浙江寶旌、江蘇恒神、吉林國興等企業(yè)的碳纖維產(chǎn)量已超過國產(chǎn)碳纖維總量的80%，宏發(fā)縱橫、江蘇澳盛等企業(yè)碳纖維年用量均已接近萬噸；泰和新材、中化國際、中芳特纖等企業(yè)芳綸產(chǎn)量已達(dá)國產(chǎn)芳綸總量的90%；部分龍頭企業(yè)的高性能纖維的產(chǎn)能產(chǎn)量已經(jīng)位居全球首位。更為重要的是，這些龍頭企業(yè)基本都通過自主研發(fā)，掌握了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能纖維制備或應(yīng)用工藝技術(shù)，為我國高性能纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供了保障。中復(fù)神鷹的“干噴濕紡千噸級(jí)高強(qiáng)／百噸級(jí)中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)，光威復(fù)材自主創(chuàng)新開發(fā)的基于濕法工藝T700級(jí)碳纖維已應(yīng)用于航空領(lǐng)域，其子公司威海拓展纖維有限公司獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)(專用項(xiàng)目)。江蘇恒神構(gòu)建了碳纖維原絲、碳纖維、織物、預(yù)浸料、樹脂、復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)件的完整產(chǎn)業(yè)鏈。此外，泰和新材、光威復(fù)材、中簡科技股份有限公司、吉林碳谷已實(shí)現(xiàn)A股上市，北京同益中成功登錄科創(chuàng)板，中復(fù)神鷹也已在科創(chuàng)板上市，成功實(shí)現(xiàn)高性能纖維產(chǎn)業(yè)與資本市場的融合。
1.5創(chuàng)新平臺(tái)作用持續(xù)發(fā)揮
目前我國高性能纖維領(lǐng)域已初步形成了涵蓋基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范的科技創(chuàng)新平臺(tái)體系。我國現(xiàn)擁有國家碳纖維工程技術(shù)研究中心、碳纖維制備及工程化國家工程實(shí)驗(yàn)室、國家芳綸工程技術(shù)研究中心等研發(fā)平臺(tái)，以及北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所、中科院寧波材料所、山東大學(xué)、東華大學(xué)等科研院所，正在進(jìn)一步深化產(chǎn)、學(xué)、研、用合作，積極開展“卡脖子”核心技術(shù)攻關(guān)，增加技術(shù)創(chuàng)新有效供給。其在高性能纖維的基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用示范推廣等方面取得顯著成果，對高性能纖維質(zhì)量提升、高端產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)升級(jí)發(fā)揮了重要作用。2019年工業(yè)和信息化部批復(fù)成立了國家先進(jìn)功能纖維制造業(yè)創(chuàng)新中心，經(jīng)過近幾年的建設(shè)和運(yùn)營，創(chuàng)新中心進(jìn)一步推動(dòng)了化纖行業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化，特別是促進(jìn)了我國高性能纖維產(chǎn)業(yè)的升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展。
1.6產(chǎn)業(yè)政策環(huán)境日益完善
為加快突破高性能纖維行業(yè)技術(shù)瓶頸、緩解對國外進(jìn)口的依賴、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，進(jìn)入新世紀(jì)以來，國家陸續(xù)出臺(tái)了一系列支持產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，有效推動(dòng)了高性能纖維行業(yè)發(fā)展。僅“十三五”期間，就出臺(tái)了《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》、《工業(yè)強(qiáng)基工程實(shí)施指南(2016—2020年)》、《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等相關(guān)政策，進(jìn)一步明確了關(guān)鍵新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和任務(wù)，并細(xì)化到具體材料、產(chǎn)品、技術(shù)指標(biāo)等，為高性能纖維材料持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。高性能纖維的科技攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)化及重點(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范也被列入增強(qiáng)制造業(yè)核心競爭力、技術(shù)改造、工業(yè)強(qiáng)基、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等，國防科工局和軍委裝備發(fā)展部也對國防軍工用高性能纖維給予了專項(xiàng)資金支持，為高性能纖維行業(yè)提升基礎(chǔ)研究能力，提高產(chǎn)業(yè)化發(fā)展水平，推動(dòng)高性能纖維應(yīng)用示范和市場推廣發(fā)揮了重要作用。
1.7經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益成效顯著
我國高性能纖維行業(yè)的快速發(fā)展，有力推動(dòng)了下游諸多領(lǐng)域技術(shù)水平的快速提升，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。這突出表現(xiàn)在：一是高性能纖維的國產(chǎn)化打破了日、美等發(fā)達(dá)國家長期對我國的技術(shù)封鎖和市場壟斷，為我國制造業(yè)核心競爭力提升注入了新動(dòng)力，對航空航天、國防軍工、風(fēng)力發(fā)電、土木建筑、汽車輕量化、海洋工程、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。相關(guān)資料顯示，汽車車身重量每減輕100kg，則CO₂排放量減少約5g/km；飛機(jī)機(jī)身重量每減少20%，則每年CO₂排放量減少約140噸。在碳達(dá)峰、碳中和政策背景下，碳纖維已應(yīng)用于光伏、風(fēng)電、氫能等綠色清潔能源領(lǐng)域，正逐步成為實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑之一。二是隨著國產(chǎn)高性能纖維市場認(rèn)可度持續(xù)提高，不僅主要企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不斷好轉(zhuǎn)，逐漸步入良性發(fā)展階段，同時(shí)高性能纖維及其制品出口量也不斷增長，產(chǎn)品的國際市場競爭力持續(xù)增強(qiáng)。以碳纖維行業(yè)為例，2012年威海光威復(fù)合材料股份有限公司首次實(shí)現(xiàn)碳纖維企業(yè)盈利，2016年中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司首次實(shí)現(xiàn)碳纖維企業(yè)在民用領(lǐng)域盈利。2020～2021年在新冠疫情持續(xù)肆虐的大背景下，我國碳纖維行業(yè)逆勢而上，持續(xù)保持產(chǎn)銷兩旺，業(yè)績不斷增長，連續(xù)兩年實(shí)現(xiàn)了全行業(yè)盈利。
02
發(fā)展展望
高性能纖維是實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。隨著國產(chǎn)高性能纖維生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)不斷進(jìn)步，我國高性能纖維有望迎來新的發(fā)展機(jī)遇，全面進(jìn)入國際先進(jìn)行列，為滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮更加重要的作用。到2025年，國產(chǎn)高性能纖維研發(fā)生產(chǎn)將達(dá)到國際先進(jìn)水平，建立以企業(yè)為核心的創(chuàng)新體系；根據(jù)高性能纖維制備的技術(shù)特點(diǎn)，合理布局區(qū)域發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)高性能纖維及其復(fù)合材料工藝技術(shù)多元化、品種系列化、產(chǎn)能規(guī)�；�、關(guān)鍵裝備自主可控，全面提升產(chǎn)業(yè)鏈安全；進(jìn)一步突破國產(chǎn)高性能纖維的高性能、低成本、穩(wěn)定化批量制備技術(shù)和服役性能，形成具有“設(shè)計(jì)—制造—評(píng)價(jià)—考核驗(yàn)證”完整核心競爭力的產(chǎn)業(yè)集群和研發(fā)平臺(tái)，大幅提升高性能纖維及其復(fù)合材料市場應(yīng)用規(guī)模和水平，實(shí)現(xiàn)其在國防領(lǐng)域的自主保障，滿足國民經(jīng)濟(jì)重大領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
作者：呂佳濱(中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì))
