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2018/9/6 13:49:14
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全球碳纖維技術發展分析及其對我國的啟示
碳纖維是一種含碳量在95%以上，高強度、高模量纖維的新型高分子無機纖維材料，力學性能優異，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備等領域。碳纖維研發已被我國列為國家戰略性新興產業。本文簡明概述了碳纖維技術領域主要研發國家/地區的研發態勢，分析了美、日、歐、韓等碳纖維技術先進國家/地區的發展經驗；基于文獻計量學分析方法，對2010年以來全球碳纖維研究的論文和專利產出年度趨勢、領先研發機構、研究熱點等進行分析，以反映碳纖維技術主要研發國家/地區、機構的競爭態勢；并掃描了2015年以來碳纖維技術研發最新動態和技術進展，以揭示前沿研發趨勢。論文最后為我國碳纖維技術研發提出了幾點建議，以為我國碳纖維技術未來研發決策布局提供咨詢建議。
1引言
碳纖維是含碳量高于95%的無機高分子纖維無機新材料，具有低密度、高強度、耐高溫、高化學穩定性、抗疲勞、耐磨擦等優異的基本物理及化學性能，并有高振動衰減性，良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數等特性。這些優異的性能使得碳纖維被廣泛應用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備、工程機械、基礎設施建設、海洋工程、石油工程、風力能源、體育用品等領域。
碳纖維主要核心技術工藝、產能等主要被日本、美國以及歐洲少數發達國家和地區把控，并且，由于其高技術含量、高利潤回報，西方國家長期對我國實行嚴格的技術封鎖?；谔祭w維材料的國家戰略需求以及國際技術封鎖的緊迫形勢，我國已將其列為重點支持的新興產業的核心技術之一。在國家“十二五”科技規劃中，高性能碳纖維的制備和應用技術是國家重點支持的戰略性新興產業核心技術之一。2015年5月，國務院正式發布《中國制造2025》，把新材料作為重點領域之一進行大力推動和發展，其中高性能結構材料、先進復合材料是新材料領域的發展重點。2015年10月,工信部正式公布了《中國制造2025重點領域技術路線圖》，將“高性能纖維及其復合材料”作為關鍵戰略材料，2020年的目標為“國產碳纖維復合材料滿足大飛機等重要裝備的技術要求”。2016年11月，國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，明確指出加強新材料產業上下游協作配套，在碳纖維復合材料等領域開展協同應用試點示范，搭建協同應用平臺。2017年1月，工信部、發改委、科技部、財政部聯合制定《新材料產業發展指南》,提出到2020年，“在碳纖維復合材料、高品質特殊鋼、先進輕合金材料等領域實現70種以上重點新材料產業化及應用，建成與我國新材料產業發展水平相匹配的工藝裝備保障體系。”
由于碳纖維及其復合材料在國防和民生中都要重要作用，許多專家都聚焦于其發展情況和研究趨勢的分析。周宏綜述了美國科學家在高性能碳纖維技術發展初期所做的科學技術貢獻，并對碳纖維的十六個主要應用領域及近期技術進展進行了掃描和報道；韋鑫等對聚丙烯腈基碳纖維的生產工藝、性能及應用及目前技術發展狀況進行了綜述，并針對國內碳纖維發展中存在問題提出了建設性意見。另外，對于碳纖維及其復合材料領域的論文和專利的計量學分析，也有許多人開展了研究。例如馬祥林等從計量學角度對1998—2017年碳纖維中國專利的專利權人分布和應用領域進行了分析；楊思思等基于Innography平臺對全球碳纖維布專利進行了檢索及數據統計,從專利的年度發展趨勢、專利權人、專利技術熱點和該技術的核心專利等進行了分析。
從碳纖維研究發展軌跡看來，我國的研究幾乎與世界同步啟動，但發展緩慢，高性能碳纖維的生產規模和質量與國外相比都有差距，迫切需要加快研發進程，提前戰略布局，搶占未來產業發展先機。因此，本文首先對各國在碳纖維研究領域的項目布局進行調研，以了解各國研發路線規劃；其次，由于碳纖維的基礎研究與應用研究對于碳纖維的技術研發來說都極為重要，因此，我們從學術研究成果——SCI論文以及應用研究成果——專利同時進行計量學分析，以全面了解碳纖維領域的研發進展情況；并對近期本領域的科研動態進行掃描，以窺測國際前沿研發進展。最后，基于以上研究結果，為我國碳纖維領域的研究發展路線提出了建議。
2主要國家/地區碳纖維研究項目布局
碳纖維的主要生產國家/地區包括日本、美國、韓國、歐洲部分國家及中國臺灣。技術先進國家在碳纖維技術發展初期已經意識到該材料的重要性，紛紛進行戰略布局，大力推動碳纖維材料研發。
2.1日本
日本是碳纖維技術最發達的國家。日本東麗、東邦和三菱麗陽3家企業的碳纖維產量約占全球70%～80%的市場份額。盡管如此，日本依然非常重視保持在該領域的優勢，尤其是高性能PAN基碳纖維以及能源和環境友好相關技術的研發，并給予人力、經費上的大力支持，在包括“能源基本計劃”、“經濟成長戰略大綱”和“京都議定書”等多項基本政策中，均將此作為應當推進的戰略項目。日本經濟產業省基于國家能源和環境基本政策，提出了“節省能源技術研究開發方案”。在上述政策的支持下，日本碳纖維行業得以更加有效地集中各方資源，推動碳纖維產業共性問題的解決。
“革新性新結構材料等技術開發”(2013—2022)是在日本“未來開拓研究計劃”下實施的一個項目，以大幅實現運輸工具的輕量化(汽車減重一半)為主要目標，進行必要的革新性結構材料技術和不同材料的結合技術的開發，并最終實現其實際應用。產業技術綜合開發機構(NEDO)于2014年接手該研究開發項目后，制定了幾個子項目，其中碳纖維研究項目“革新碳纖維基礎研究開發”的總體目標是：開發新型碳纖維前體化合物；闡明碳化結構形成機理；開發并標準化碳纖維的評估方法。該項目由東京大學主導，產業技術綜合研究所(NEDO)、東麗、帝人、東邦特耐克絲、三菱麗陽聯合參與，已在2016年1月取得了重大進展，是日本繼1959年發明“近藤方式”后，在PAN基碳纖維領域的又一重大突破。
2.2美國
美國國防預研局(DARPA)在2006年啟動先進結構纖維項目，目的是召集全國優勢科研力量，開發以碳纖維為主的下一代結構纖維。在此項目支持下，美國佐治亞理工學院的研究小組在2015年突破了原絲制備技術，使其彈性模量提升了30%，標志著美國具備了第三代碳纖維的研制能力。
2014年，美國能源部(DOE)宣布為“針對非食用生物質糖類轉化為丙烯腈的多步驟催化過程”、“研究和優化多通路生產生物質衍生的丙烯腈”兩個項目提供1130萬美元資助，以推進用農業殘留物、木本生物質等可再生非食物基原料生產具有成本競爭力的可再生高性能碳纖維材料相關研究，并計劃在2020年以前，將生物質可再生碳纖維的生產成本降至5美元/磅以下。
2017年3月，美國能源部再次宣布提供374萬美元資助由美國西部研究所(WRI)領導的“低成本碳纖維組件研發項目”，主要以煤和生物質等資源為原料，開發低成本的碳纖維部件。
2017年7月，美國能源部宣布資助1940萬美元用于支持先進高能效車輛技術研發，其中670萬美元用于資助利用計算材料工程制備低成本碳纖維，主要包括開發集成計算機技術的多尺度評價方法，用于評估新碳纖維前驅體的積極性，并利用先進分子動力學輔助的密度泛函理論、機器學習等工具來開發先進計算機工具，以提高低成本碳纖維原料的遴選效率。
2.3歐洲
歐洲碳纖維產業在20世紀七八十年代緊隨日本和美國發展起來，但因為技術以及資本等原因，許多單一生產碳纖維的企業沒有堅持到2000年后的碳纖維需求高增長期就消失了，德國SGL公司是歐洲唯一一家在世界碳纖維市場上占據主要份額的公司。
2011年11月，歐盟啟動EUCARBON項目，致力于提升歐洲在航天用碳纖維和預浸漬材料方面的制造能力。項目歷時4年，總投入320萬歐元，并于2017年5月成功建立歐洲第一條面向衛星等航天領域用特種碳纖維生產線，從而使歐洲有望擺脫對該產品的進口依賴，確保材料供應安全。
歐盟第七框架計劃以608萬歐元支持“利用具有成本效益和可調控性能的新型前驅體制備功能化碳纖維”(FIBRALSPEC)項目(2014—2017)。該項目為期4年，由希臘雅典國立技術大學主導，意大利、英國、烏克蘭等多國公司聯合參與，主要致力于創新和改進連續性制備聚丙烯腈基碳纖維的流程，實現連續PAN基碳纖維實驗性生產。該項目已經成功完成了從可再生有機聚合物資源中生產碳纖維以及強化復合技術的開發應用(如超級電容器、快速應急避難所,以及納米纖維的原型機械電動旋涂機及生產線研制等)。
越來越多的工業領域(例如汽車、風能發電、造艇業)需要輕量高性能復合材料，這對碳纖維產業來說是巨大的潛在市場。歐盟投資596.8萬歐元啟動CARBOPREC項目(2014—2017)，其戰略性目標是從廣泛存在于歐洲的可再生材料中開發低成本前驅體，通過碳納米管增強生產高性能碳纖維。
歐盟的CleanSky II研究計劃資助了一項“復合材料輪胎研發”項目(2017)，由德國弗勞恩霍夫生產和系統可靠性研究所(LBF)負責，計劃開發用于空客A320的碳纖維增強復合材料飛機前輪部件，目標是較傳統金屬材料減重40%。項目經費約為20萬歐元。 2.4韓國
韓國的碳纖維研發與產業化起步較晚，研發始于2006年，2013年開始正式進入實用化階段，扭轉了韓國碳纖維全部依賴進口的局面。以韓國本土的曉星集團和泰光事業為代表的行業先鋒積極進行碳纖維領域行業布局，勢頭發展強勁。此外日本東麗在韓國建立的碳纖維生產基地也對韓國本土的碳纖維市場起到了促進作用。
韓國政府選擇將曉星集團打造成碳纖維的創新產業聚集地。旨在形成碳纖維材料產業集群，促進全北地區創意經濟生態系統的發展，最終目標形成碳纖維材料→零部件→成品一條龍生產鏈，建立可與美國硅谷比肩的碳纖維孵化集群，挖掘新市場，創造新的附加值，到2020年實現碳纖維相關產品出口額100億美元(折合人民幣約552億元)的目標。
3全球碳纖維研究科研產出分析
本小節統計了2010年以來的碳纖維研究相關SCI論文和DII專利成果，以對全球碳纖維技術的學術研究和產業研發兩方面同時進行分析,全面了解國際上碳纖維研發進展。
數據來源自科睿唯安公司(Clarivate Analytics)出版的WEB OF SCIENCE數據庫中的SCIE數據庫和Dewent數據庫；檢索時間范圍：2010—2017年；檢索日期：2018年2月1日
3.1年度趨勢
2010年以來，全世界共發表相關論文16553篇，申請發明專利26390項，均呈現出逐年穩步上升的態勢(圖1)。
3.2國家或地區分布
中國的碳纖維論文和發明專利申請數量(此處統計優先權國家)均最多，呈現領先的優勢；論文數量排在2~5位的依次是美、日、英、韓；發明專利申請數量排在2~5位的國家依次是日、韓、美、德(圖2)。
3.3機構分析
全球碳纖維研究論文產出最多的前10個機構均來自中國，其中排在前5位的依次是：中國科學院、哈爾濱工業大學、西北工業大學、東華大學、北京航空航天大學。國外機構中，印度理工學院、東京大學、布里斯托大學、莫納什大學、曼徹斯特大學、佐治亞理工學院排在10~20名之間(圖3)。
專利申請數量排名前30機構中，日本有5家，且其中3家位居前五，東麗公司排名第一，其后依次為三菱麗陽(第2)、帝人(第4)、東邦(第10)、日本東洋紡公司(第24)；中國機構有21家，中國石化集團公司專利量最多，排名第三，其次是哈爾濱工業大學、河南科信電纜公司、東華大學、中國上海石化、北京化工大學等，中科院山西煤化所申請發明專利66件，排名第27位；韓國機構有2家，其中曉星株式會社排名靠前，居第8位(圖4)。
產出機構上看，論文產出主要來自于大學及科研機構，專利產出主要來自于公司企業，可以看出，碳纖維制造是一項具有高技術含量的產業，作為碳纖維研發產業發展的主體，公司企業都非常重視碳纖維研發技術的保護，尤其是日本2大公司，專利數量遙遙領先。
3.4研究熱點
碳纖維研究論文涉及最多的研究主題是：碳纖維復合材料(包括碳纖維增強復合材料、聚合物基復合材料等)、機械性能研究、有限元分析、碳納米管、脫層、加強、疲勞、微結構、靜電紡絲、表面處理、吸附等。涉及這些關鍵詞的論文占全部論文數量的38.8%。
碳纖維發明專利涉及最多的主題是碳纖維的制備、生產設備及復合材料。其中，日本東麗、三菱麗陽、帝人等公司均在“用碳纖維增強高分子化合物”領域進行了重要技術布局，另外，東麗和三菱麗陽在“聚丙烯腈制作碳纖維及生產設備”、“用不飽和腈，如聚丙烯腈、聚偏氰化物乙烯制作碳纖維”等技術上有較大比重的專利布局，而日本帝人公司在“碳纖維與含氧化合物復合材料”有較大比重的專利布局。
我國中石化集團、北京化工大學、中科院寧波材料所在“聚丙烯腈制作碳纖維及生產設備”上有較大比重的專利布局；另外，北京化工大學、中科院山西煤化所和中科院寧波材料所重點布局“用無機元素纖維作為配料的高分子化合物制備”技術有；哈爾濱工業大學重點布局“碳纖維的處理”、“碳纖維與含氧化合物復合材料”等技術。
另外，從全球專利的技術年度分布統計中發現，最近三年一些新的熱點領域開始出現，例如：“由在主鏈中形成羧酸酰胺鍵合反應得到的聚酰胺的組合物”、“由主鏈中形成1個羧酸酯鍵反應得到的聚酯的組合物”、“以合成材料為主的機動車材料”、“環狀多羧酸的含氧化合物作為配料的碳纖維復合材料”、“以三維形式固著或處理紡織材料的方法”、“不飽和醚、乙縮醛、半縮醛、酮或醛通過僅涉及碳—碳不飽和鍵的反應而制得的高分子化合物”、“絕熱材料管子或電纜”、“以磷酸酯類有機物作為配料的碳纖維復合材料”等。
4對我國碳纖維技術研發的建議
4.1前瞻布局，目標導向，聚焦突破第三代碳纖維技術
我國第二代碳纖維技術尚未全面突破，如不及時跟進第三代碳纖維的技術開發，會拉大我國與國外下一代航空武器裝備性能之間的差距。我國應及早進行前瞻性布局，將我國的相關頂尖科研機構匯聚起來，集中攻克關鍵技術，聚焦第三代高性能碳纖維制備技術研發(即適用于航空航天的高強度、高模量碳纖維技術)，以及碳纖維復合材料技術的研發，包括面向汽車、建筑修補等的輕量化、低成本大絲束碳纖維制備研究，碳纖維復合材料的增材制造技術、回收技術和快速成型技術等等。
4.2統籌組織，強化支持，設立重大技術項目持續支持協同攻關
對于涉及國家安全和重大經濟利益的關鍵核心技術，我國必須要掌握在自己手里，碳纖維技術就是其中之一。目前我國開展碳纖維研究的機構比較多，但是力量分散，缺乏有效協同攻關的統一研發組織機制和強有力的資助支持。從先進國家的發展經驗來看，重大項目組織與布局對本技術領域的發展起著極大的推動作用。應集中我國優勢研發力量，針對我國碳纖維突破性研發技術啟動重大項目攻關，強化協同技術創新，不斷推進我國碳纖維研究技術水平，爭奪國際碳纖維及復合材料研發制高點。
4.3完善技術成果應用效果導向的評價機制
從SCI論文計量學分析角度看，我國的碳纖維作為一種高強性能材料應用于各種領域的研究較多，而對于碳纖維生產制備技術，尤其是聚焦于降低成本、提高產效的研究較少。碳纖維生產工藝流程長、技術關鍵點多、生產壁壘高，是多學科、多技術的集成，需要突破的技術障礙很多，要高效推進“低成本、高性能”的核心制備技術研發，一方面，需要加強研究投入，另一方面，需要弱化本領域科研績效評價的論文產出導向，強化技術成果應用效果評估導向，從注重論文發表的“數量型”評價轉向成果價值的“質量型”評價。
4.4加強尖端技術復合型人才培養
碳纖維技術的高技術屬性決定了專業化人才的重要性，是否擁有尖端核心技術人才直接決定著一個機構研發水平的高低。
由于碳纖維技術研發環節很多，應當注重復合型人才培養，以保證各環節研發的配合銜接。另外，從我國碳纖維研究發展史看來，技術核心專家的流動往往成為影響一個研究機構研發水平的關鍵因素。在生產工藝、復合材料和主要產品上能夠保持核心專家和研發團隊的固定，對于不斷實現技術升級十分重要。
應當繼續加強本領域的專業化高技術人才培養和使用，完善對技術研發型人才的評價和待遇政策，加強對青年人才的培育，積極支持與國外先進研發機構的合作和交流，同時大力引進國外先進人才等等，這將對我國的碳纖維研究的發展起到極大的推動作用。
