——再論國產碳纖維產業化之路
沈真，男，1943年生，浙江省湖州市人，研究員，SAMPE北京分會副主席，中國複合材料學會榮譽理事。曾在英國帝國理工學院、德國宇航研究院、意大利都靈工業大學、澳大利亞悉尼大學等國外知名院校從事複合材料力學研究工作。目前就職於江蘇恆神股份有限公司，從事國產碳纖維及其複合材料在航空和工業領域的推廣應用工作。
前幾天《從“芯片之痛”聯想到錢雲寶的“全產業鏈”》獲得了很多贊，對於獲得多少讚我倒並不關心，倒是一些碳纖維大佬的評論和討論是我最關心的，因為質疑和反對的聲音是我最感興趣的，因為有些是我沒有把“全產業鏈”的理念闡述清楚，有些則是這一理念存在缺陷，需要我進一步思考和修正。這兩天對徐梁華老師的專訪《貴族產品不能賣白菜價》一文也引起了大家的共鳴，對此也是我近幾年來思考最多的問題之一，因此也想參與討論一下。
碳纖維因其高性能和高售價並存，一直是業界的心中之痛，它就像陽春白雪，高高奉上，但和者寥寥。碳纖維企業關注碳纖維的價格，但下游用戶關心的則是其複合材料製件的價格，碳纖維企業心痛高成本的碳纖維賣了白菜價，下游用戶並不關心碳纖維多貴，只關心我買的碳纖維產品合不合算。因此有必要回顧民機複合材料結構從零到目前佔結構重量50%以上，超過鋁成為飛機最主要的結構材料所走過的路，也許可供碳纖維從業者參考。
上世紀70年代的石油危機引發了航空業的危機，為了降低燃油消耗，結構輕量化是民機生產商的首選，飛機結構已經使用比重最小的結構材料——鋁，在結構設計方面也已竭盡了最大的努力，作為唯一的出路，民機生產商把眼光瞄向了比重更小的碳纖維。出於性能優先的考慮，軍機結構已開始大量使用碳纖維複合材料，但高昂的成本成了最大的攔路虎。在此背景下美國政府贊助航空公司（波音、道格拉斯（後為麥道）和洛克希德）啟動了持續數十年民機使用碳纖維複合材料應用的國家計劃，同樣歐洲也啟動了類似的計劃（TANGO）。。值得關注的是所有這些計劃的核心是三個詞：信心（安全）、技術、成本。特別是CAI計劃的關鍵詞就是“買得起的複合材料（affordability）”。ACEE計劃啟動時的目標是飛機主結構機翼和機身使用碳纖維複合材料，實際執行時發現十年計劃只實現了尾翼結構使用複合材料，其成本可為用戶接受，所以ACEE計劃的成果是所有大飛機的尾翼均使用複合材料（佔結構重量約10%），使東麗公司實現千噸級的供應；經過近30年的努力才使機翼機身使用複合材料的成本為用戶接受，其標誌是波音787複合材料結構佔機體結構的重量50%，A350佔52%，從而實現東麗與赫氏實現萬噸級碳纖維供應，兩家公司的碳纖維實現穩定性盈利。圖1是幾個主要的研究計劃和取得的成果。
可以發現在民機複合材料結構實現產業化應用過程中，其實碳纖維的價格並沒有多少變化，應用T800後，價格其實更貴了，但並沒有影響碳纖維複合材料價格的降低。波音公司的複合材料專家給出了飛機複合材料製品成本的構成（見圖2），其實材料在其中只佔8-20%，工藝製造和裝配佔了80%以上。如果從用戶最關心的全壽命成本（採購成本+使用成本+維護成本）來看，材料成本佔比更少。Zoltek公司的專家也給出了相同的結論，認為在汽車複合材料製件中材料成本只佔20%。現在專家們只討論如何降低碳纖維成本，當然在工業領域應用中碳纖維成本需要大幅度降低，碳纖維企業關注低成本碳纖維無可非議，但這並不能從根本上解決產業化的問題，如果不下大功夫解決複合材料製品成本問題是沒有意義的。1996年由美國先進民用飛機新材料專業委員會編制的《下一代民用運輸機用的新材料》中指出：“雖然複合材料的市場銷量增長緩慢往往歸因為原材料的高成本，但材料成本實際上僅佔複合材料構件總成本的8%~10%。事實上工藝製造成本是總成本中最高的單項成本。過去性能因素推動著複合材料在航空航天中的應用研究，但近年來成本則起到了更大的作用。這樣，開發下一代民用運輸機工藝的一個基本準則是低成本製造的可能性。委員會相信，在可預見的將來，發展趨勢是不斷開發低成本的製造工藝。”
圖1 民機複合材料結構產業化之路
圖2 傳統航空複合材料製品的成本構成
當然複合材料製品中碳纖維成本的佔比取決於碳纖維複合材料產品，並不是所有的複合材料製品都像航空複合材料產品的佔比，在前面一片文章中已經指出，民機應用在我國近期內不可能有萬噸的需求，不需要眾多碳纖維企業的參與，所以本文要討論的國產碳纖維產業化之路上，所有的碳纖維企業必須考慮的重點是碳纖維應用到何處。記得錢雲寶先生對營銷人員經常教導的：“要記得兩個可替代性，即碳纖維的可替代性和成本的可替代性。”要清楚地回答：用戶為什麼要用碳纖維；用碳纖維為用戶帶來什麼好處。因此要回答這個問題必須清楚地知道碳纖維與其他材料相比的優勢是什麼。
碳纖維複合材料相比傳統材料最大的優勢是其在具有所需強度的前提下具有最高的比模量（彈性模量與密度之比），而不是大家所說的比強度高。其實結構設計師都清楚，首先是用材料的彈性模量進行結構設計，在滿足結構變形要求的前提下確定設計方案，然後進行強度校核，對薄弱環節局部補強，結構減重首先選用彈性模量最高的材料，這就是碳纖維分代的依據，所以T300（模量230GPa）是第一代，T800（模量294GPa）是第二代，T1100（模量324GPa）是第三代，T700和T1000的高強度只是T300和T800採用低成本幹噴溼紡工藝的產物，並不是根據用戶的需求研發的新品種，在多數情況下碳纖維的強度是有富裕的。正因為碳纖維的這一優勢成了結構輕量化最青睞的材料，因此碳纖維的應用對象主要是既有變形的約束，同時需要減重的結構，二者缺一不可。因此碳纖維應用的下一工業領域一定是有迫切輕量化需求的交通運輸車輛結構。
碳纖維的複合材料的另一優勢是可設計性和適用於結構整體化成型，前者可按其受力方向發揮其模量高的特性（各向同性材料無法實現），同時可通過材料設計（與不同樹脂及其他成分組合）實現結構-功能一體化，同樣的材料重量可同時實現結構性能和所需的功能（減振降噪等）；後者可大大減少結構件的裝配成本（減少緊固件和裝配工作量）。綜上所述，碳纖維複合材料的應用對象除上述的同時具有變形與減重要求的結構外，還應是那些原金屬結構件成本中材料成本佔比較小的結構，這樣才有可能通過降低製造成本來容忍較高的材料成本。
碳纖維的優勢還包括其具有優越的抗疲勞和抗腐蝕性，對那些飽受疲勞與腐蝕威海帶來高昂維護成本與更換率高的結構件，材料成本高也是可接受的選項。
當前已獲得大量應用的領域（除航空應用外），如體育休閒、風電葉片、建築補強、壓力容器等，其複合材料產品的設計與工藝基本定型（設計與工藝主動權基本上掌握在國外廠家手中），材料與製造成本的分配基本固化，碳纖維企業生產的碳纖維是否被用戶接受只能依靠提高國產碳纖維的性能和降低生產成本，別無他路。但面對尚未充分開發的交通運輸車輛應用，目前的現狀是交通運輸車輛領域的用戶對複合材料不熟悉，缺乏動力和技術支持，進展遲緩，如果國產碳纖維企業無所作為，只醉心於對碳纖維製造工藝的改進和降成本，一種可能是遲遲無法實現複合材料結構的產業化生產，則國產碳纖維產業化也遲遲無法實現；另一種可能是由國外首先實現產業化，國產碳纖維仍然會像目前已大量應用碳纖維的工業領域一樣，再一次只能進行價格競爭。
CMH-17-3G《複合材料手冊》中指出：“並行工程，由設計師、應力分析、材料和工藝、製造、質量控制、後勤保障工程師（可靠性、維護性和生存性）以及成本估算師組成的團隊聯合、並行地研製新產品或新系統，現已成為公認的設計方法。”碳纖維複合材料結構開發特點和國內下游工業領域用戶的現狀逼迫國產碳纖維在開發碳纖維應用新領域方面必須有所作為，也就是必須考慮碳纖維的全產業鏈，這不是錢雲寶個人的痴心妄想，也不是唐吉坷德式的笑談，而是破解國產碳纖維產業化的一種無奈之舉。當然錢雲寶已經走了，可能這將是前無古人後無來者的一種嘗試。但希望國家和有影響力的專家正視這一現實，在實現國產碳纖維產業化路上，提出破解的良策。
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