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2019車身新材料新工藝

日本碳纖維領跑全球8大特點 中國能借鑒什么?

2019-7-1 15:17 76 0 來自: 玻纖情況研究網
簡介
【汽車輕量化在線】在全球高性能纖維領域,無論是產品的種類、系列化開發、性能指標還是生產成本,日本企業均具有很強的競爭力,在碳纖維領域的這些優勢尤其明顯。這得益于政府政策的有力推動,也得益于其產業聯盟模 ...
【汽車輕量化在線】在全球高性能纖維領域,無論是產品的種類、系列化開發、性能指標還是生產成本,日本企業均具有很強的競爭力,在碳纖維領域的這些優勢尤其明顯。這得益于政府政策的有力推動,也得益于其產業聯盟模式和人才培養方式,更離不開企業的高瞻遠矚、長期堅持和巨大投入。總結來看,日本碳纖維產業發展主要呈現出以下幾個特點。

 
1、政府大力推動與支持
 
       日本政府高度重視高性能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。
 
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日本政府支持碳纖維領域技術研發的主要項目
 
2、行業協作促技術攻關
 
       在碳纖維行業,日本較早形成了產業聯盟,聯盟成員覆蓋了整個碳纖維產業鏈,能夠全面了解產業中存在的問題和需求,有效服務于產業的各個環節。如新構造材料技術研究聯盟(ISMA),共有39個成員,其中37家為企業,另有 1 家國立研究所(產業技術綜合研究所)以及 1 所國立大學(名古屋大學)。
 
       日本新能源產業技術開發機構(NEDO)從2008年開始在碳纖維領域進行為期5年的“續發展的超級復合材料技術項目”于2013年9月結題。項目由東麗、三菱麗陽、東洋紡、高木精工、豐田、本田、日產等企業與東京大學、東北大學、山形大學等院校合力進行研究,通過對新型CFRTP的開發,實現減輕車重30%、提高燃油效率22.5%、提高加工速度、提高回收率等目的。項目研發成果分為以下四項。
 
       中間材料的研發:中間材料的研發成果包括各向同性和單取向性兩種中間材料,實現了量產車用CFRTP在1min內的成型,同時熱塑性CFRTP也方便了最終部件的可回收再利用。其中各向同性CFRTP中間材料是短切碳纖維與聚丙烯樹脂復合的粒料,能夠實現復雜形 狀部件材料的成型;單取向性CFRTP中間材料是長絲碳纖維與聚丙烯樹脂復合的預浸帶,特別適合作為框架等要求高強度的產品應用。
 
       成型技術的研發:針對兩種不同的中間材料,項目研發了兩種不同的加工成型方式,如圖2所示。各向同性中間材料采用高速沖壓成型,模具使用時間短,成型后的材料變形小,可生產表面形狀凹凸復雜的CFRTP部件,適合作為汽車的次承力結構件。單取向性中間材料采用高速內壓成型,可生產無縫中空封閉截面,其CFRTP部件適合用于汽車載荷的主承力結構件。
 
       連接技術的研發:研發成功了集熱板熔融、震動熔融、超音波熔融等為一體的加熱和加壓連接法,實現連接部位一體化的同時增加接合部的纖維體積分數,提高強度,避免了容易對CFRTP材料產生結構損傷的鋼焊接技術。
 
       回收技術的研發:CFRTP回收技術項目成果,是在NEDO從2006年起在日本經濟產業省的資助下進行的題為“碳纖維回收技術的研發示范”項目研究的基礎上進行的,利用熱分解法,在高溫常壓下回收復合材料中的碳纖維。由于上述技術成果的突破,使得日本生產商加速了對CFRTP在汽車領域應用的市場布局,包括碳纖維絲束原材料、復合材料預浸料和注塑顆粒材料在內的產能投入。
 
3、行業集中度高,各龍頭企業在技術和產品上形成差異化競爭
 
       東麗株式會社于1971年開始生產PAN基碳纖維,在全球26個國家和地區擁有運營網絡,在日本、美國、歐洲和韓國建有碳纖維生產基地;東邦株式會社于1975年開始生產PAN基碳纖維,在全球80個國家和地區開展業務,在日本、德國和美國建有碳纖維生產基地;三菱麗陽是全球唯一同時具備生產PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維的公司,最早于1974年開始生產碳纖維,在日本、美國和德國均有碳纖維生產基地。
 
4、企業注重專利保護,同時在規模上具備很強的優勢
 
       碳纖維制備技術比較復雜,涉及多個學科的交叉和應用,關鍵節點多達數百個。現階段,碳纖維生產核心技術主要掌握在日企手中,并且嚴格對外保密,各企業在碳纖維領域擁有全球最多的技術專利,并且基本覆蓋產業鏈的各個環節,在諸多國家進行了專利布局。
 
        根據國家知識產權局《產業專業分析報告——高性能纖維》一書中的統計,全球范圍內碳纖維生產工藝領域申請量進入全球排名前10位的都是日本申請人,而CFRP領域申請量排名前10位的有9位都是日本申請人(其中美國通用電氣排在第9位,與日本碳纖維生產商就汽車用CFRP有一系列合作協議)。由這些數據可見,日本碳纖維企業無疑具有世界一流的創新能力,在全球范圍也已形成行業壟斷。申請量居前的日本申請人均是有著數十年經營歷史的產業制造商,其研發創新主體即是企業自身;申請人企業覆蓋了從化纖、紡織、化工、電器到鋼鐵制造等不同領域,意味著日本的碳纖維技術已經在其應用領域形成了遍布上中下游穩定的產業鏈。
 
5、日本碳纖維企業注重上下游結合,并且針對不同領域開發出合適的產品
 
       龍頭企業均注重產業鏈上垂直經營,以控制產業鏈條各個環節的工藝參數,促進對市場演變和客戶需求的理解,從而制備出滿足特定用途的合格產品。同時,這些龍頭企業開發的碳纖維型號覆蓋多個性能層次,含標準彈性模量、中彈性模量和高彈性模量,以適用于不同領域;為了避免過度同質化競爭,企業之間在碳纖維制備技術的細節和產品類型上存在一定差異。
 
       2013年10月,帝人宣布推出全新品牌CFRTPSereebo®,包括3種系列中間材料。其中U系列(單向中間材料)可提供高定向強度;I系列(各向同性中間材料)可保證CFRTP制品形狀的均一和多方向上的高強度;P系列(熱塑性顆粒材料)適用于復雜部件的注塑成型,為將來在汽車上的全面應用做鋪墊。2013年10月,東麗宣布推出新的碳纖維增強聚苯硫醚(PPS)樹脂顆粒材料,該材料改進了纖維和PPS樹脂接觸面的粘結性,提高了抗拉強度,可作為注塑成型的原料使用。使用該材料制備CFRTP部件,其抗拉強度與鋁鑄件相當,質量卻輕了近45%。就在NEDO的成果發表之后不到1個月,日本碳纖維生產商就將新技術產品投放到市場,可見其將研發成果轉化為新產品的速度之快。
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東麗在碳纖維產業鏈上的布局
 
 
積極開拓北美CFRP汽車市場
 
       隨著碳纖維產業的不斷發展與擴大,注重與下游企業合作,不斷開發新的市場,以下游應用帶動上游的發展,是日本碳纖維企業選擇的發展之道。目前,日本碳纖維生產商和歐美的主要汽車生產商紛紛結成聯盟,謀求共同發展。在參股Plasan Carbon Composites公司之前,東麗的主要汽車制造商合作對象是日本和歐洲公司,包括豐田、富士重工和德國戴姆勒公司。
 
       Plasan Carbon Composites公司是美國唯一的豪華轎車CFRP車體面板一級供應商,同時自身擁有可將CFRP部件的生產成型時間縮短至17min的技術。買入Plasan Carbon Composites公司股份,確保了東麗通往美國汽車制造商的分銷渠道,進一步提高其在美國汽車市場的參與度。東邦與美國通用自2011年起就展開了穩定的合作關系,與東麗一樣,東邦也在歐洲和美國建立了公司和銷售中心,瞄準汽車市場投入大量資金,并出資建立了復合材料應用中心,對未來碳纖維及其CFRP在汽車上的應用充滿信心。三菱麗陽則與寶馬和西格里集團3方合作,宣布2014年寶馬i3系列純電動車BMW MegacityVehicle在全球正式上市,為碳纖維產品在通用汽車領域的商業化普及應用邁出了重要的一步。這款車的市場表現,將在很大程度上決定未來10年CFRP在通用汽車領域的發展方向。
 
積極開拓東盟CFRP市場
 
       由于明確的汽車產業扶植政策,泰國成為東盟地區汽車行業發展的中心。已經有多家國際汽車巨頭在泰國建立了生產基地,這也解釋了作為材料供應商的東麗與三菱麗陽為何選擇在泰國開展CFRP業務。東麗已經在泰國擁有1個海外辦事處和多家樹脂與纖維生產銷售分公司,看重童夢Carbon Magic公司擁有豐富的工程設計、原型設計經驗和技術實力,憑借童夢在泰國工廠的熱壓罐技術和價格優勢,能夠與現有的多種技術形成協同優勢,可有效提升東麗的產品競爭力。三菱麗陽選擇的PTT公司是一家能源企業,從制造石油化學產品到銷售壓縮天然氣,業務范圍較廣,擁有強大的市場網絡,能夠從銷售和市場為三菱麗陽提供便利條件。
 
6、企業重視人才的開發培養
 
       以東麗為例,一是研發人員布局合理,且注重復合型人才培養,過半的研發人員兼顧兩個以上的研發方向,以保證各環節研發的配合銜接;二是在生產工藝、復合材料和主要產品上有著固定的研發團隊,進行后續的技術升級;三是核心發明人作用突出,每個研發團隊相對穩定,并在主導發明的同時傳帶新人,實現平穩的過渡和交接。
 
7、企業通過提高生產效率、擴大產能和兼并收購以應對行業未來的發展
 
       為應對日益增長的汽車、飛機等下游需求,日本主要碳纖維企業近幾年均有產能擴張計劃。根據測算,從2015 — 2018年,東麗、帝人和三菱的碳纖維產能分別增加了0.45萬、0.3萬和1.13萬t/a;不斷致力于通過采用新原料和新工藝,來降低生產成本并提高生產效率,并進一步拓寬碳纖維應用領域;展開大量收購以縱向延伸或橫向擴展。
 
       面對全球日益嚴峻的競爭態勢,日本碳纖維生產商除了加大擴建力度,還通過聯合或收夠上下游企業的形式,垂直整合產業鏈,提升企業的整體競爭力。東麗集團于2013年進行了一系列的收購行為,其中包括3月收購日本賽車設計和制造商童夢Carbon Magic公司及其泰國工廠;7月買入美國汽車碳纖維部件供應商Plasan Cabon Composites公司20%的股權,9月更是“大手筆”以近6億美元收購美國碳纖維生產商卓爾泰克。收購結束后,東麗在全球的碳纖維市場份額將獲得壓倒性的競爭力,成為當之無愧的“世界第一”。
 
       三菱麗陽自2012年以來,相繼與多家下游公司協作擴大碳纖維產業鏈,包括2012年11月完成收購日本CFRP零件制造商Challenge公司和德國多軸向織物制造商TK Industries公司;12月與韓國SK Chemicals公司建立了工業應用CFRP預浸料生產同盟;2013年2月成立新公司整合其在美國的碳纖維業務;3月兼并三菱化學旗下的丙烯腈單體生產企業大野綠水公司;9月與泰國能源企業PTT就CFRP業務簽訂MOU。
 
 
2012年12月,東邦宣布已開始大規模在日本松山工廠生產碳纖維增強熱塑性復合材料(CFRTP)部件,并計劃在美國建立銷售制品和開展應用開發的新公司,進一步加強在汽車結構材料上的用途開拓,努力開拓下游市場。
 
 
8、企業以長遠的眼光對待發展
 
 
日本紡織行業將70%的研發經費投入到新產品新技術的研發上,這很可能是日本企業能夠走在全球領先行列的重要原因。在碳纖維領域,日本企業同樣體現出了這樣的特點。以東麗為代表的日本碳纖維生產企業,從PAN基碳纖維發明初期就看清了其作為制造材料的重要價值,并持續投資進行技術積累(僅東麗一家至今已投入超過1 400億日元)。
 
 
在政府大力推動和支持下,日本碳纖維企業也相繼制定戰略。2011年4月,東麗發布了在集團長期經營戰略“AP-Growth TORAY 2020”的基礎上制定的集團中期經營課題“AP-G-2013項目”,在其“基本策略—企業的研發投入對象”中,第一條便是“針對汽車、飛機輕量化的CFRP”,更是將1.6×1011日元研發投入中的50%用于包括CFRP在內的“綠色創新技術”。
 
 
另一方面,帝人集團于2012年2月公布了其中長期經營戰略“CHANGE for 2016”,其中計劃將包括碳纖維材料在內的高性能纖維復合材料業務板塊的銷售額,從2011年的13%提高到2016年的20%,并將每年銷售額的4%~5%作為研發經費投入到下一年。
 
 
結束語
 
 
通過日本碳纖維產業梳理可以發現,基于上述多方面因素成就了日本碳纖維霸主的地位,而對比國內碳纖維產業,政府也進行了大力推動與支持,并且建立了碳纖維產業聯盟,但似乎國內產業聯盟對于碳纖維產業鏈上下游聯動的貢獻微乎其微;而且在碳纖維技術上,日本碳纖維差異化技術明顯,反觀國內碳纖維制備路線同質化嚴重,造成了更多的內耗。
 
 
與近年來日本碳纖維企業不斷擴能相類似,國內碳纖維企業也在大張旗鼓擴能建廠,但是產能上去了,產量卻未能隨之增加,歸根結底在于產品穩定性差、達產率不高、產業化核心技術薄弱等因素,但總體而言,近年來國內碳纖維產業高速發展有目共睹,期待國內碳纖維企業能夠早日在國際舞臺上形成競爭力。
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