2023年年度碳纤维以及复合材料的重磅事件
回首2023年，在整个化纤行业中发生了很多大事，小编公司属于碳纤维材料领域，那这里给大家进行汇总，主要包括：日本东丽宣布全面增加碳纤维产能、亚洲/美洲/欧洲分工厂纷纷扩产，国内突破第三代碳纤维技术、逐渐缩小与国外差距，韩国晓星布局中国碳纤维市场、成首个来华碳纤维设厂的海外企业，风电市场萎靡导致工业级碳纤维销售受阻，连续碳纤维热塑性单向带的国产化量产等等。
1、全球碳纤维龙头企业——日本东丽全面开启碳纤维扩产计划
2023年3月27日，日本东丽公司正式发布了2023-2025年中期管理计划项目AP-G 2025，在2025 中期管理计划期间，公司将持续扩大碳纤维及其复合材料业务板块的投资并提高其预期营收，除扩大风电叶片、氢燃料电池汽车等碳纤维市场以外，还将及时捕捉日益复苏的航空市场，并服务于日益增长的城市空中交通(如电动飞机)等移动领域。
2023年6月，东丽公司发布了最新碳纤维市场分析报告，根据该公司预测，2022年全球碳纤维需求为12.83万吨，而到2025年全球对碳纤维需求有望达到20.37万吨，2022-2025年期间复合年增长率高达17%。基于上述市场判断，公司制定了扩产规划(如下表所示)，到2025年中期，东丽公司至少增加7500吨/年的小丝束碳纤维，其中用于压力容器高强型碳纤维6500吨/年，用于核能领域铀离心机的高模量碳纤维1000吨/年;而Zoltek公司在墨西哥新增的2500吨/年产能也会适时启动。
2023年7月13日，东丽公司宣布计划在美国和韩国两家碳纤维工厂增加小丝束(常规丝束)碳纤维的生产能力，经过该投资将使东丽集团的小丝束碳纤维年产能增加20%以上，到2025年有望达到3.5万吨。这两家工厂分别为东丽复合材料美国公司在美国南卡罗来纳州的斯帕坦堡(Spartanburg)工厂，以及东丽先进材料韩国公司在韩国庆尚布道(Gyeongsangbuk-do)的古米(Gumi)工厂。
2023年10月3日，东丽公司宣布决定扩大法国子公司东丽碳纤维欧洲公司的中/高模量(小丝束)碳纤维的生产产能。通过此次扩产，将使东丽欧洲公司位于法国西南部Abidos工厂的年产能从每年5000吨提高到6000吨，新产能预计2025年投产(阅读原文)。早在2022年11月30日，日本东丽欧洲子公司——东丽碳纤维欧洲公司(Toray Carbon Fibers Europe，Toray-CFE)宣布决定投资约1亿欧元，在其位于法国西南部的工厂建设一条新的生产线，产能1000吨，主要包括中模量/高模量级碳纤维，建设工作计划于2023年下半年开始，预计将于2025年底开始生产。
2023年10月23日，东丽子公司—韩国东丽先进材料公司开始扩大其在韩国的碳纤维生产能力，并在庆北龟尾第四工厂举行了奠基仪式，标志着该公司第三条碳纤维生产线扩建项目正式开工。目前TAK具备高性能碳纤维的年生产能力为4700吨，而第三条生产线通过扩建3300吨产能，将使TAK年生产能力提高到8000吨/年。
截至2023年3月，日本东丽小丝束碳纤维全球产能为2.87万吨/年，主要包括日本本土爱媛县8970吨/年、法国Soficar的5200吨/年、美国CMA9900吨/年以及韩国TAK4700吨/年;大丝束碳纤维产能为3.5万吨/年。根据上述陆续进行的扩产计划，预计2025年东丽公司小丝束碳纤维将达到3.5万吨/年，加之大丝束碳纤维3.5万吨/年，因此2025年东丽公司全球碳纤维产能有望达到7万吨/年，而后续随着2500吨/年大丝束碳纤维的规划并提上日程，有望超过7万吨/年。
日本东丽公司2023年3月全球碳纤维最新产能情况(见下图)
2、国内第三代碳纤维取得新进展，逐步缩小与国外的技术差距
根据全球碳纤维龙头企业——日本东丽公司对碳纤维分代划分，自上世纪70年代以来，高性能PAN基碳纤维经历了三代碳纤维产品的发展，分别如下所示：
第一代：1970年代，碳纤维实现工业生产的初期，纤维丝束规格为3k-6k，代表性产品包括：T300、M30、M40、M46、M50等级别碳纤维;
第二代：1980-2000年代，碳纤维实现高强度、高模量化，并具有高生产率，纤维丝束规格6k-24k，代表性产品包括：T700S、T800H、T800S、T1000、M30S、M35J、M40J、M46J、M50J、M55J、M60J、M65J(技术突破但未商品化)、M70J(技术突破但未商品化)等级别碳纤维。
第三代：2010-如今，碳纤维进一步高强度、高模量化，纤维丝束规格≥12k，代表性产品T1100G和M40X。
从上述内容及图片可以看出，第三代碳纤维代表性产品主要包括T1100和M40X两款碳纤维。目前东丽公司尚未进行M40X型碳纤维商业化生产，每年会生产大约2吨左右，而限量生产的M40X碳纤维大多专门提供给东丽下属预浸料生产公司，该纤维由于具有优异的性能，因此在各种领域中均可显著降低零部件的重量。
2023年11月，国内在第三代M40X型碳纤维技术领域迎来最新进展。11月9日，中国纺织工业联合会在江苏省丹阳市组织召开了由江苏恒神股份有限公司、中国科学院宁波材料技术与工程研究所和哈尔滨工业大学共同承担的“超高强高模碳纤维(HF55M)工程化关键制备技术”项目鉴定会，鉴定委员会认为项目成果达到国际先进水平。超高强高模碳纤维(HF55M)的拉伸强度≥5800 MPa、拉伸模量≥377 GPa、断裂伸长率≥1.50%，主体性能指标对标了日本东丽公司于2018年11月研发成功的M40X型碳纤维(拉伸强度5700MPa、拉伸模量377GPa)。
项目开发了连续长周期聚合及高分子量、窄分布聚丙烯腈纺丝原液制备技术;研发出高温高浓凝固成型技术;研制出聚丙烯腈纤维预氧化碳化结构调控与纳米缺陷控制技术。结合复合式电化学表面处理工艺，研制出完整的超高强高模碳纤维工程化技术。建成了十吨级超高强高模HF55M碳纤维工程化生产线，产品经第三方检测，碳纤维拉伸强度≥5800 MPa, 拉伸模量≥377 GPa，断裂伸长率≥1.50%，目前该款产品通过了多家应用单位多批次试用，并已实现批量销售，能够满足未来国防及高端装备领域对碳纤维复合材料性能均衡化的要求，具有良好的社会和经济效益。
3、韩国晓星布局中国市场，成首个来华设碳纤维厂的境外企业
韩国晓星公司(Hyosung Advanced Materials)目前产品涉及纤维、钢线、复合材料三大主要领域，其中纤维主要包括轮胎补强材料用纤维、工业丝、地毯用原丝、芳纶、碳纤维等，而复合材料主要为用于汽车、运动休闲、航空、产业等领域的碳纤维经编织物、预浸料(Prepreg)等。
2022年11月24日，晓星碳材料(江苏)有限公司注册成立，该公司是韩国晓星公司全资子公司，公司注册地位于江苏省徐州市新沂市经济开发区香港路1号，注册资本2900万美元。
2023年2月3日，《晓星碳材料(江苏)有限公司年产26400吨碳材料项目建设项目用地预审与选址意见书》在徐州新沂市自然资源和规划局网站公示。根据公示内容，项目建设单位为晓星碳材料(江苏)有限公司，该年产26400吨碳材料项目建设项目用地总面积为19.8159公顷，其中建设用地为8.7197公顷。
2023年2月18日，韩国晓星高性能碳纤维新沂产业基地开工活动举行，该项目由晓星碳材料(江苏)有限公司投资建设，项目建设内容为年产26400吨碳材料项目，项目用地总面积为19.8159公顷，其中建设用地为8.7197公顷。经确定，建成达产后，本项目预计可年产0.96万吨高性能碳纤维及1.68万吨碳纤维复合材料，实现年销售额超100亿元。
2月18日韩国晓星高性能碳纤维新沂产业基地开工
作为首家境外来华投资碳纤维的公司，本号撰写了《深度揭秘首家境外来华投资碳纤维产线的韩国晓星公司及其如何影响国内市场》一文，深入探讨了晓星布局中国市场对国内碳纤维产业影响，根据小编预测，韩国晓星进入国内市场后根据碳纤维产品目标应用领域，其主要竞争对手可能为中复神鹰公司，对于国内市场，两家企业各有优势。
4、风电叶片等终端领域遇阶段调整，工业级碳纤维销售遇阻
12月初，国际著名的咨询公司Wood Mackenzie表示，由于美国海上风电行业的财务困难，以及中国对于风电项目的审批和装机进展缓慢，未来十年，全球风电行业新增装机容量将低于此前的预期。据悉，全球最大的海上风电场开发商Orsted、能源巨头BP、挪威Equinor已对其美国海上风电投资组合进行了价值数亿美元的减值，理由是螺旋式上升的融资成本和供应延迟。
风电叶片市场萎缩也给包括大丝束碳纤维在内的工业级碳纤维制造商带来一定的下行压力，比如11月2日，全球知名大丝束碳纤维制造商——德国SGL Carbon公司发布了2023年前三季度报告，由于风电行业的需求持续不足，碳纤维的销售额下降了8940万欧元，降幅为33.2%，由去年同期的2.69亿欧元降至1.796亿欧元。
对于国内市场而言，除了全球风电叶片市场遭遇调整以来，另外一个因素也给工业级碳纤维发展带来负面影响，即：国内大规模新建产能陆续投产，工业级碳纤维大量投放市场，导致碳纤维价格呈现持续下降，部分型号产品价格已经降至100元/kg以内，甚至低于90元/kg。
5、国外公司纷纷研发生物基AN，以降低碳纤维生产中的碳排放
早在2019年，美国Southern research公司公布了一项研究计划，旨在开发一种利用非食品碳水化合物生产AN的高成本效益工艺。作为生物基AN研究的一部分，Southern Research进行了生命周期评估(LCA)，对生物基AN以及石油基AN进行了比较。结果表明，生物基AN制造每磅成品的碳足迹为-1.57磅当量CO2，而石油基AN生产每磅成品碳足迹为3.5磅当量CO2。
随后美国Trillium Renewable Chemicals公司获得了Southern Research公司AN生产工艺的许可。2022年初，Trillium和碳纤维制造商索尔维复合材料签署了一份发展Bio-ACN供应链的意向书。根据这项协议，索尔维将于2023年对Trillium的生物基AN进行分析，以验证其化学和成分。2024年，索尔维将进行生物AN的生命周期评估。
Trillium Renewable Chemicals的员工在该公司位于美国西弗吉尼亚州查尔斯顿的试验生产线上工作，该生产线生产来自豆油原料的Bio-ACN。
而在亚洲方面，为了实现2050年碳中和，在化石燃料衍生品产品链中减少CO2排放的措施正在获得势头，并且越来越多的客户正在寻求使用低CO2排放的产品来制造，以有助于温室气体(GHG)的减少。在这种情况下，旭化成公司和TSPC试图减少整个供应链中的CO2排放量，而在2021年10月TSPC成为了亚洲第一家获得ISCC PLUS 认证的制造商。该认证系统使TSPC能够使用通过质量平衡法分配的生物质原料生产和销售AN。
2021年10月，作为一个多元化的日本跨国公司，Asahi Kasei Corp.(旭化成公司)宣布位于韩国首尔的全资子公司通苏石化有限公司(Tongsuh Petrochemical Corp. Ltd.，TSPC)因为实现了丙烯腈(AN)的可持续从而获得了广泛认可的国际可持续发展和碳认证(ISCC)。该公司计划于2022年2月开始使用生物基丙烯生产AN材料。
为了实现2050年碳中和，在化石燃料衍生品产品链中减少CO2排放的措施正在获得势头，并且越来越多的客户正在寻求使用低CO2排放的产品来制造，以有助于温室气体(GHG)的减少。在这种情况下，旭化成公司和TSPC试图减少整个供应链中的CO2排放量，而在2021年10月TSPC成为了亚洲第一家获得ISCC PLUS 认证的制造商。该认证系统使TSPC能够使用通过质量平衡法分配的生物质原料生产和销售AN。
2023年6月，日本帝人公司宣布其位于日本静冈县的三岛工厂生产的Tenax™碳纤维和聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)前驱体纤维已获得国际可持续发展和碳认证体系的ISCC PLUS认证，这是全球首次碳纤维和PAN前驱体纤维同时获得该认证。PAN前驱体纤维由可持续丙烯腈(acrylonitrile，AN)制成，它使用了生物基衍生产品或回收原料中的废物和残留物，并采用质量平衡法生产。通过该方法，可以通过复杂的价值链对材料进行可验证的跟踪，由于可持续AN具有与石油衍生AN相同的物理性能，基于该可持续材料的PAN和Tenax™碳纤维具有与同等化石基产品相同的物理特性。
这种相似性使客户能够轻松地用更可持续的替代品取代Tenax™碳纤维，从而有助于在整个产品生命周期内减少温室气体(GHG)排放,帝人公司预计将于2024年上半年在三岛工厂采用质量平衡法进行PAN和Tenax™碳纤维的商业化生产。
2023年11月20日，日本东丽公司官网发布消息称，其法国子公司——东丽碳纤维欧洲公司(Toray Carbon Fibers Europe S.A.)在其位于法国西南部的Lacq和Abidos生产厂获得ISCC PLUS认证。该认证可使东丽碳纤维欧洲公司通过质量平衡方法分配和使用生物质或回收材料来生产和供应碳纤维。
东丽碳纤维欧洲公司将于2023年底开始生产源自生物质和回收原材料的碳纤维. 此外，东丽在日本的爱媛工厂计划在2024年3月前获得ISCC PLUS认证，并在2024年底前开始生产纤维。在美国，东丽美国子公司——Toray Composite Materials America位于阿拉巴马州迪凯特的碳纤维工厂也计划在2024年获得该认证。随着这三个工厂获得认证，东丽集团打算在日本、美国和欧洲的工厂使用生物质或回收原材料生产碳纤维，确保向全球客户稳定供应。
2023年12月21日，日本帝人公司官网宣布，为了在减少温室气体排放领域做出积极贡献，公司已经开始生产和销售使用环保型原料(生物基丙烯腈AN)的碳纤维。帝人公司此次将采用基于可持续产品国际认证的质量平衡方式，开始生产和销售使用环保型原料的Tenax™碳纤维。
6、采用碳纤维复合材料的深潜器发生内爆，行业公司释疑
2023年6月18日，包括OceanGate创始人兼首席执行官斯托克顿·拉什，77岁的前法国海军军官保罗·亨利·纳吉莱特，58 岁的英国亿万富翁、冒险家Hamish Hardin，48 岁的巴基斯坦商人Shahzada Dawood和他的儿子苏莱曼在内的五名乘客搭载一艘深海潜水器观看历史悠久的泰坦尼克号沉船事故。这艘名为“泰坦号(Titan)”深海潜水器在出发约1小时45分钟后便失联，当地时间22日下午，美国海岸警卫队宣布“泰坦号”潜水器已在沉船地点附近发生灾难性内爆，5名乘员全部死亡。
据OceanGate报道，“泰坦”号是使用航空航天级碳纤维制造的，将其重量减轻到其他深潜载人潜水器重量的一小部分。2020年2月26日，OceanGate公司宣布已经与美国宇航局NASA达成协议，合作开发、制造和测试新型碳纤维压力容器。NASA位于阿拉巴马州亨茨维尔的马歇尔太空飞行中心将作为一个新的航空级船体的开发和制造基地。这项设计工作是OceanGate完成其最新的独眼巨人潜水器的关键，该潜水器计划搭载五名船员下潜到6000米。根据关闭的OceanGate网站，该公司用钛和细丝缠绕的碳纤维建造了“泰坦”号。
自从OceanGate公司“泰坦号”旅游潜水器的发生灾难性事故以来，该公司使用碳纤维复合材料建造潜水器的耐压壳体备受质疑，因为行业标准是用钛制造耐压外壳。但是，深潜用碳纤维压力容器真的不堪一击吗?事实上，罗德岛州一家专门为潜水器建造碳纤维压力容器的公司已经编制了一份令人印象深刻的安全性和可靠性记录，称只要容器设计和测试得当，这种材料就可以用于这种应用。
OceanGate公司“泰坦号”深海潜水器
截至目前，这家名为复合能源技术公司(Composite Energy Technologies，CET)已成功建造了数十艘碳纤维深海压力容器。公司总裁Chase Hogoboom在接受采访时表示，CET公司致力于为商业和政府客户(如海军研究办公室)提供碳纤维压力容器，这些这些压力容器在比泰坦尼克号更深的地方潜水时从未失败过。
CET公司断言，如果结构适当，循环疲劳就不是问题。为了证明这一点，Hogoboom公布了他的公司在深海应用中的产品记录。“我们建造的船只在深海压力下循环使用了200次，然后发生内爆，这些船只在与新船只相同的深度失效。”Hogoboom解释说，关键是要认真设计和测试复合结构。他说：“我们对已经建成的设施的实力有很高的信心。我们使用工程模型，以验证所建模的内容，但是也存在失败案例。这是OceanGate跳过的关键一步，”Hogoboom表示。制造过程中的一些重要因素包括所用碳纤维的布局和纤维方向。但正如在兰博基尼铺放碳纤维的经验中所积累到的专业知识一样，制造差异可能会破坏预期结果，而这些差异可以决定该项目的最终强度。
7、连续碳纤维热塑性单向带的国产化量产
智上新材的连续碳纤维热塑性单向带的量产：材料领域中的高性能追求是不变的主题，如何更好的激发出碳纤维的高性能优势成为了大家关心的问题。摒弃传统的热固性树脂，选择采用热塑性树脂的方法成为了该领域的科研重点。但受限于热塑性树脂不同于传统热固性树脂，粘度高，在浸渍过程中不能浸渍彻底，该难题让很多人望而却步，我国本身在碳纤维领域的技术就落后于国外，国外掌握该技术更是对我们进行了技术封锁，想要该高性能的碳纤维复合材料只能埋头苦干，在过去的2023年，智上新材料科技有限公司就率先成为国内完成该项技术的厂家，并且完成量产。
智上新材：前身为无锡智上新材，从2014年开始从事碳纤维领域的原材料到制品定制化生产，于2019年新建2万平厂房，专门用于连续碳纤维增强热塑性复合材料的研发，提供该材料从生产到销售再到实际应用需求解决方案的服务高新技术企业。现如今量产的PEEK、PPS等热塑性碳纤维单向带制作的产品以及被应用到轨道交通、医疗器械、高精密机械等多领域中去。成功摆脱了连续碳纤维增强热塑性复合材料依赖国外进口的难题，遵循技术就是生产力的企业发展观，向着“航母级热塑性碳纤维复合材料供应商”的目标前进，早日实现“材料强国”的愿景。
8、开发出8.0GPa碳纤维，日本东丽再次引领全球高性能碳纤维发展
最早在本号2023年7月份撰写的两期文章《为应对航空复苏及预期增长，日本东丽正在研发强度8GPa的超高强度碳纤维》(阅读原文)以及《深度解密日本东丽公司最新碳纤维发展战略(6)公司未来发展的三大战略》(阅读原文)中明确提出了日本东丽公司正在研发的超高强度碳纤维的拉伸强度高达8.0GPa、拉伸模量310-320GPa。
根据公司碳纤维产品发展战略，将继续不断追求碳纤维的“轻量化、高强度”，因此公司着意于通过导致纤维断裂的表面缺陷的纳米级控制来进一步提升碳纤维的拉伸强度，从而满足飞机、压力容器、高端体育器材等领域对高强度材料的需求。不出意料的是，2023年10月29日，日本东丽官网正式宣布推出拉伸强度8.0GPa、拉伸模量315GPa的T1200型超高强度碳纤维。
小编针对东丽公司发布T1200型碳纤维信息也进行了深入剖析，根据日本东丽官网的说法，此次公布T1200型碳纤维的信息，是基于各国的公司不断加强的传统高强度碳纤维产品的供应能力，鉴于对高强度碳纤维的需求明显上升，东丽必须做出回应;而据小编估计更多原因是来自于近年来我国在超高强度碳纤维领域的突破，因为截至目前国内已有包括威海拓展、中复神鹰、江苏恒神等在内的多家企业宣布突破了T1100碳纤维技术。而在去年12月中简科技股份有限公司申请的一项专利技术《高强度高模量碳纤维原丝湿法纺丝的制备方法》(申请号：202211604969.0)中公布了一种湿法纺丝制备得到的超高强度碳纤维方法，制得碳纤维的拉伸强度为7GPa、拉伸模量为335GPa。综上可知，即便是日本三菱、美国Hexcel具有相同或相近级别超高强度产品时，日本东丽并未将两家公司视为对手，而随着我国多家企业陆续宣布突破T1100碳纤维技术，为了宣示全球高性能碳纤维的霸主地位，东丽公司择机宣布了T1200碳纤维这款新产品。
注：本文大部分内容来自头条钱鑫博士，少部分修改。
