引言
高性能纖維是新材料產業的重要組成部分，是我國化纖行業重點發展關鍵材料，其發展水平關系到國民經濟發展和國家戰略安全。經過幾十年的發展，在政府、企業、科研院所、行業協會的共同努力下，我國高性能纖維行業狠抓關鍵技術攻關，著力拓展下游應用，產業規模、技術進步、體系建設等全面推進，大幅縮短了與發達國家近30年的水平差距，取得突破性進展和明顯成就。目前國產碳纖維產能占全球總產能約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品覆蓋面及應用范圍最廣的國家，碳纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維生產規模位居世界前三，主流產品技術水平、產量和質量已居世界先進水平。國產高性能纖維的快速發展為我國制造業核心競爭力提升注入了新動力，對航空航天、國防軍工、風力發電、土木建筑、汽車輕量化、海洋工程等領域高質量發展做出了重大貢獻。
01
我國高性能纖維發展現狀
1.1產業整體規模穩步擴大
2021年我國高性能纖維總產能約19.5萬噸，產量約10.2萬噸，碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維和連續玄武巖纖維等產量已突破萬噸(表1)，其中碳纖維產量29000噸，產品可覆蓋高強、高強中模、高模、高強高模型碳纖維(主要品種相當于T300級、T700級、T800級、T1000級、M40級、M40J級、M55J級等)。聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維等產品穩步發展，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鍵技術取得新進展。
1.2技術裝備水平顯著提高
高性能纖維產業技術不斷提升，纖維質量以及系列化、差別化水平、生產穩定性等有了顯著提高(表2)。
1.2.1碳纖維
一是國產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)三種生產工藝體系，干噴濕紡和濕法紡絲工藝技術逐漸完善，生產效率進一步提升；二是碳纖維核心技術不斷突破，在實現T300級碳纖維產業化的基礎上，又相繼實現了T700級、T800級，以及24k以上工業用碳纖維產業化生產，同時T1000級、T1100級、M55J級、M60J級、48k大絲束碳纖維等關鍵技術均實現了突破。與日本東麗公司相比，我國二甲基亞砜系列產品基本全覆蓋日本東麗同系列碳纖維品種。我國碳纖維產業的發展歷程見表3。
1.2.2有機高性能纖維
我國對位芳綸突破了千噸級產業化關鍵技術，高強型、高模型對位芳綸產品實現國產化，高強型對位芳綸在個體防護裝備上完成應用驗證，開發了原液著色對位芳綸長絲，突破了超高強對位芳綸(相當于Kevlar-KM2級)制備技術，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進一步提升，超高強、高模、細旦、耐熱、抗蠕變等新產品，以及新一代纖維專用樹脂制備技術實現突破。聚酰亞胺纖維突破了聚合物合成、纖維成形、后處理、生產裝備等一系列關鍵技術，形成了高耐熱型、耐熱易著色型、高強高模型三大系列，覆蓋超細、常規、粗旦等多種規格，并自主研發了聚酰亞胺纖維原液著色技術。聚苯硫醚纖維開發了細旦化產品(1.1旦)，可進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液晶聚芳酯纖維關鍵技術。此外，聚四氟乙烯纖維通過形態結構控制、創新纖維制造技術和成套生產設備，提高了聚四氟乙烯纖維濾料的過濾精度和強度，研發了包含超細、催化、增強等不同纖維的多層次濾料，實現了工業排放煙氣的一體化處理。
1.2.3無機高性能纖維
連續玄武巖纖維規模化池窯、一帶多漏板(24)技術取得新進展，形成了高強型、高模型、耐堿型三大系列產品。此外，漏板技術實現較大提升，漏板壽命提高到近6個月，整體生產成本消耗不斷下降；同時，計算機模擬技術初步應用，實現對窯爐內溫度、電流，氣體及熔體流速等參數判別，進而優化窯爐結構設計，提升窯爐熔制技術水平，單回路智能表控制技術提高了溫度、漏板、拉絲機等控制精度。
連續碳化硅纖維突破第二代產業化技術，并完成國家重點型號定型，同時在航空發動機、核電ATF事故容錯材料組件等領域開展了復合材料試驗。
1.2.4高性能纖維裝備
聚酰亞胺纖維批次聚合反應釜、紡絲組件、計量泵、卷繞機、熱處理裝備等關鍵零部件均已實現國產化；超高分子量聚乙烯纖維已實現成套裝備的國產化，并逐步優化升級，單線產能超過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計制造技術；突破3000噸級碳纖維整線裝備和500mm、1000mm寬口高溫石墨化爐設計制造技術；間位芳綸和對位芳綸成套裝備均已實現國產化；瀝青基碳纖維生產設備制備技術取得突破。
1.3產品應用能力不斷提升
隨著國內對高性能纖維認識理解不斷深入，國產高性能纖維質量不斷提高，應用水平也持續提升。一是產品應用領域逐步拓展。目前高性能纖維已廣泛應用于航空航天、國防軍工、風力發電、土木建筑、汽車工業、軌道交通、海洋工程、光纜通信、安全防護、環境保護、體育休閑等領域，并已形成特定領域的穩定應用。二是產品應用規模逐步擴大。高性能纖維各細分領域市場應用均保持穩定，個別領域應用規模逐漸擴大。
2021年國內高性能纖維的總消費量約14.9萬噸，其中碳纖維應用總量達到62300噸，國產碳纖維用量占比為46.5%，特別是風電葉片用量達到22500噸，成為拉動我國碳纖維應用的主要驅動力，同時滿足了國際風電葉片的使用需求。此外，體育休閑領域用量約20000噸，碳碳熱場材料用量約為5000噸，壓力容器用量約3000噸，均實現較大增長。芳綸實際用量約26000噸，其中間位芳綸在高溫過濾、阻燃防護、電氣絕緣和蜂窩材料等領域用量保持平穩，對位芳綸在光纜通信、防彈材料、汽車工業等領域用量逐漸增長。超高分子量聚乙烯纖維用量約為25000噸，在繩網、防切割手套、民用市場等領域用量保持增長，手套領域仍以出口為主。采用聚酰亞胺纖維開發的防護面料已成功應用于森林武警防護服。
1.4龍頭企業實力大幅增強
經過多年發展與積累，我國培育了一批各行業的骨干龍頭企業。例如中復神鷹碳纖維股份有限公司、威海光威復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龍頭企業；煙臺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企業；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任公司為代表的超高分子量聚乙烯纖維生產企業；四川安費爾高分子材料科技有限公司為代表的聚苯硫醚纖維生產企業；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企業；浙江石金玄武巖纖維有限公司、四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司為代表的連玄武巖纖維生產企業。形成了如江蘇、吉林和山東等高新纖維及其制品的產業集聚地。
同時，產業集中度也進一步提高，中復神鷹、光威復材、浙江寶旌、江蘇恒神、吉林國興等企業的碳纖維產量已超過國產碳纖維總量的80%，宏發縱橫、江蘇澳盛等企業碳纖維年用量均已接近萬噸；泰和新材、中化國際、中芳特纖等企業芳綸產量已達國產芳綸總量的90%；部分龍頭企業的高性能纖維的產能產量已經位居全球首位。更為重要的是，這些龍頭企業基本都通過自主研發，掌握了具有自主知識產權的高性能纖維制備或應用工藝技術，為我國高性能纖維產業的快速發展提供了保障。中復神鷹的“干噴濕紡千噸級高強／百噸級中模碳纖維產業化關鍵技術及應用”獲得國家科技進步一等獎，光威復材自主創新開發的基于濕法工藝T700級碳纖維已應用于航空領域，其子公司威海拓展纖維有限公司獲得國家技術發明二等獎(專用項目)。江蘇恒神構建了碳纖維原絲、碳纖維、織物、預浸料、樹脂、復合材料、結構件的完整產業鏈。此外，泰和新材、光威復材、中簡科技股份有限公司、吉林碳谷已實現A股上市，北京同益中成功登錄科創板，中復神鷹也已在科創板上市，成功實現高性能纖維產業與資本市場的融合。
1.5創新平臺作用持續發揮
目前我國高性能纖維領域已初步形成了涵蓋基礎研究、關鍵技術研發和應用示范的科技創新平臺體系。我國現擁有國家碳纖維工程技術研究中心、碳纖維制備及工程化國家工程實驗室、國家芳綸工程技術研究中心等研發平臺，以及北京化工大學、中科院山西煤化所、中科院寧波材料所、山東大學、東華大學等科研院所，正在進一步深化產、學、研、用合作，積極開展“卡脖子”核心技術攻關，增加技術創新有效供給。其在高性能纖維的基礎理論研究、關鍵技術研發和應用示范推廣等方面取得顯著成果，對高性能纖維質量提升、高端產品研發、技術升級發揮了重要作用。2019年工業和信息化部批復成立了國家先進功能纖維制造業創新中心，經過近幾年的建設和運營，創新中心進一步推動了化纖行業科技成果轉化，特別是促進了我國高性能纖維產業的升級和可持續發展。
1.6產業政策環境日益完善
為加快突破高性能纖維行業技術瓶頸、緩解對國外進口的依賴、促進產業高質量發展，進入新世紀以來，國家陸續出臺了一系列支持產業發展的政策，有效推動了高性能纖維行業發展。僅“十三五”期間，就出臺了《“十三五”國家科技創新規劃》、《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》、《新材料產業發展指南》、《工業強基工程實施指南(2016—2020年)》、《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》等相關政策，進一步明確了關鍵新材料產業發展的目標和任務，并細化到具體材料、產品、技術指標等，為高性能纖維材料持續發展奠定了基礎。高性能纖維的科技攻關、產業化及重點領域應用示范也被列入增強制造業核心競爭力、技術改造、工業強基、國家重點研發計劃等，國防科工局和軍委裝備發展部也對國防軍工用高性能纖維給予了專項資金支持，為高性能纖維行業提升基礎研究能力，提高產業化發展水平，推動高性能纖維應用示范和市場推廣發揮了重要作用。
1.7經濟社會效益成效顯著
我國高性能纖維行業的快速發展，有力推動了下游諸多領域技術水平的快速提升，取得了顯著的經濟社會效益。這突出表現在：一是高性能纖維的國產化打破了日、美等發達國家長期對我國的技術封鎖和市場壟斷，為我國制造業核心競爭力提升注入了新動力，對航空航天、國防軍工、風力發電、土木建筑、汽車輕量化、海洋工程、環境保護等領域高質量發展做出了重大貢獻。相關資料顯示，汽車車身重量每減輕100kg，則CO₂排放量減少約5g/km；飛機機身重量每減少20%，則每年CO₂排放量減少約140噸。在碳達峰、碳中和政策背景下，碳纖維已應用于光伏、風電、氫能等綠色清潔能源領域，正逐步成為實現“雙碳”戰略目標的重要途徑之一。二是隨著國產高性能纖維市場認可度持續提高，不僅主要企業經濟效益不斷好轉，逐漸步入良性發展階段，同時高性能纖維及其制品出口量也不斷增長，產品的國際市場競爭力持續增強。以碳纖維行業為例，2012年威海光威復合材料股份有限公司首次實現碳纖維企業盈利，2016年中復神鷹碳纖維股份有限公司首次實現碳纖維企業在民用領域盈利。2020～2021年在新冠疫情持續肆虐的大背景下，我國碳纖維行業逆勢而上，持續保持產銷兩旺，業績不斷增長，連續兩年實現了全行業盈利。
02
發展展望
高性能纖維是實施制造強國戰略，推動制造業高質量發展不可或缺的關鍵基礎材料。隨著國產高性能纖維生產和應用技術不斷進步，我國高性能纖維有望迎來新的發展機遇，全面進入國際先進行列，為滿足國民經濟建設發揮更加重要的作用。到2025年，國產高性能纖維研發生產將達到國際先進水平，建立以企業為核心的創新體系；根據高性能纖維制備的技術特點，合理布局區域發展和產業鏈發展模式，實現高性能纖維及其復合材料工藝技術多元化、品種系列化、產能規模化、關鍵裝備自主可控，全面提升產業鏈安全；進一步突破國產高性能纖維的高性能、低成本、穩定化批量制備技術和服役性能，形成具有“設計—制造—評價—考核驗證”完整核心競爭力的產業集群和研發平臺，大幅提升高性能纖維及其復合材料市場應用規模和水平，實現其在國防領域的自主保障，滿足國民經濟重大領域的應用需求。
作者：呂佳濱(中國化學纖維工業協會)
