解析航空级碳纤维及其复合材料的完整链条
碳纤维（CF）是指含碳量在92％以上的一种纤维状材料，每根CF单丝直径约为5微米至15微米，众多平行长丝组合在一起形成所谓的CF丝束。因此丝束数是指每根丝束内长丝数量，如24K规格代表了CF丝束里具有24,000根长丝。通常丝束规格≤24,000的碳纤维称为小丝束碳纤维，而超过24K长丝的丝束被称为大丝束碳纤维。
小丝束碳纤维与大丝束纤维相比具有明显优势，主要体现在铺丝或编织成复合材料后具有更高的拉伸强度和更高的模量，因此小丝束碳纤维主要用于性能要求高的航空航天等行业，而小丝束碳纤维价格往往要显著高于大丝束纤维。
本文分析了从制备碳纤维所需的前驱体PAN原丝，到碳纤维（CF）以及最终碳纤维增强聚合物（CFRP）完整链条的成本，并以航空领域波音公司及空客公司在全球范围布局的碳纤维及其复合材料链条进行了解析。
01
碳纤维及其复合材料价值链
图1显示了将原油转化为碳纤维并最终加工成碳纤维增强聚合物（CFRP）主要工艺步骤，而且标注了从原料、中间产品到终端产品的价值。在前驱体制备过程中，由原油裂解产生的丙烯与氨反应产生丙烯腈（AN）。目前国内外大多数碳纤维制造商是直接从供应商处购买AN，当然也有少数企业，比如三菱丽阳也拥有原油精炼和裂解能力。市场上所有碳纤维制造商都有自己的聚合、纺丝能力，因此从AN转化为CF用前驱体PAN原丝的工艺和配方严格保密。除了AN以外，聚合过程中也会添加一些共聚单体，但是其浓度一般小于5％。与AN一样，这些共聚单体通常也是从供应商处购买。
图1 碳纤维及其增强复合材料价值链（单位：美元）
虽然碳纤维可以在市场上购买到，但是用于碳纤维生产的PAN原丝却根本无法买到，如日本东丽等企业生产的PAN原丝无论通过何种途径都无法获取，这为仍然主导该行业的日本制造商带来了竞争优势。因而，近期有报道称国内某企业生产PAN原丝已远销海外，但这并不能显示企业核心竞争力提升，因为真正高品质PAN原丝是属于企业核心机密而不会对外销售的。
按照图1显示用于碳纤维生产的PAN原丝3-6美元/公斤，然而经过预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理及上浆等工艺后，航空级碳纤维可以达到113美元/公斤。一方面，由于PAN原丝向碳纤维转变过程中始终伴随高温热处理，导致其能耗大幅增加，这也是导致碳纤维成本大幅增加的最为关键因素。另一方面，在PAN原丝向碳纤维转变过程中涉及微观结构演变，如图2所示，而微观结构尤其是缺陷是制约碳纤维性能关键因素，因此PAN原丝向碳纤维转变过程技术也有很高的技术壁垒，而国内外碳纤维制造商非常注重PAN原丝向碳纤维转变过程中的技术保护。
图2 碳纤维制备过程中结构转变
由于PAN原丝技术、碳纤维制备过程中核心技术等一系列高技术壁垒，同时加上高生产成本，致使国内外能够规模化生产并产生效益的碳纤维供应商仅仅十余家。
为了提升碳纤维产品附加值，就必须要制备成CFRP来使用，从CF到CFRP从原料上讲只是增加了树脂基体，而且一般树脂价格比较低廉，加之CFRP具有成熟加工技术和设备。航空级碳纤维113美元/公斤制作成CFRP后价值可达332美元/公斤，而其他领域如汽车、风电叶片、压力容器等，由碳纤维做成终端产品效益也十分可观。
02
航空公司碳纤维及其复合材料供应链
多数航空航天应用所需的小丝束碳纤维由如下5家碳纤维生产，其中三家为日本企业，且日本碳纤维在空客、波音飞机中均有一定应用，美国Hexcel生产碳纤维主要用于空客A350、A380生产，而美国Cytec氰特公司已于2015年被比利时索尔维收购，但是从其供应目录可以看到中国商飞的C919在列。
自从空中客车公司和波音公司在国际上使用重型货机飞机运输宽体飞机机身部分后，这两个主要飞机部件的供应链就广泛分布在全球各地。基于主要碳纤维供应商到预浸料乃至于最终波音787机身的完整供应链条如图3所示。PAN原丝分别由位于日本爱媛县和美国阿拉巴马州Decatur的工厂生产并加工成碳纤维，然后这些碳纤维在华盛顿州塔科马和日本石川加工成预浸料中，随后这些预浸料被运到美国、日本、意大利等用于各个部段生产，最后在查尔斯顿或华盛顿州的埃弗雷特进行最后组装。
图3 从PAN原丝、碳纤维到波音787机身供应链条
虽然加工厂分布在全球各地，波音公司为了有效降低运输成本，选择生产商大多毗邻机场，如位于威奇托的Spirit Aerosystems机身前部设施和位于意大利格罗塔列的Alenia Aermacchi机身部分设施毗邻主要机场。而三家日本重工业公司 - 富士，三菱和川崎 - 分别制造翼盒，机翼和机身部分。它们都位于名古屋港口，并通过驳船运送到Chubu Centrair国际机场。而空客A350碳纤维及其复合材料链条也是遍及美国、法国、德国、西班牙等国家，如图4所示。
图4 从PAN原丝、碳纤维到空客A350机身供应链条
03
结束语
通过国际两大航空公司布局的碳纤维及其复合材料全球化链条分析可以发现，美国本土碳纤维企业Hexcel服务的是空客公司飞机，而美国波音飞机碳纤维来源则主要是日本东丽公司，因此美、欧、日基本上站在同一战线，通过全球化布局可以整合全球优势资源，进一步确定优势地位，这也是其他国家想发展航空业困难之处。
本公众号前不久发的文章，详细回顾了俄罗斯因为受到美、日制裁，关键碳纤维材料被卡脖子，从而影响MC-21客机适航验证（详见“当关键材料遭遇“卡脖子”——回顾美日禁止向俄罗斯出口碳纤维事件”）。与之相比，国内已经初步解决了航空级小丝束碳纤维关键技术并可实现一定程度量产，但是在资源方面却不可能像空客和波音一样可以随心所欲整合全球优势资源，因此必须依靠自力更生，因此国内航空业碳纤维及其复合材料完整链条建设仍然任重道远。
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