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领先中国50年| 从东丽、帝人、三菱看日本如何练就全球碳纤维霸主

来源:最有料 发表时间:2017-12-05 1576
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碳纤维是由有机母体纤维在 1000℃-3000℃的高温、惰性气体环境下,高温分解、碳化而成的含碳量 90%以上的无机高分子纤维。从分子结构上看,碳纤维可以看成是由石墨烯沿纤维轴斱向排列而成。其力学、化学、电学等性能优异,是国民经济与国防建设不可缺少的战略新型材料,被誉为“黑色黄金”。

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碳纤维

碳纤维是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,并具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热及湿膨胀系数低、X 光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽效应等特点,是发展国防军工与国民经济的

重要战略物资,广泛应用于军工、航空航天、体育用品、汽车工业、能源装备、医疗器械、工程机械、交通运输、建筑及其结构补强等领域。

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碳纤维应用


日本碳纤维产能和量在全球占比具绝对优势

日本碳纤维生产在全球具有绝对的优势,根据中国化学纤维协会统计显示,2015年全球小丝束碳纤维市场上,日本企业占全球产能的63%;在大丝束市场上,日本企业占全球产能的57%。

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全球小丝束碳纤维市场份额划分

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全球大丝束碳纤维市场份额划分


日本深耕碳纤维行业近60载,形成较好的产业格局

目前碳纤维生产核心技术主要掌握在日本东丽、帝人和三菱公司手中,包括PAN原丝生产中的聚合、喷丝、牵引等几个步骤,以及碳化过程中的低温碳化、高温碳化两个环节。在整个产业链中,这两个环节所占利润高达55%~75%。

日本碳纤维企业对碳纤维核心技术严格对外保密。以东丽公司为例,东丽为了尽可能地保证核心技术不外泄,对于碳纤维生产板块所建立的分部门都是全资或独资子公司,并且还规定部分高端产品只能在日本本土生产。此外,日本政府也以国家安全为由,对部分碳纤维产品限制出口或需取得相关行政审批才可出口。

日本碳纤维在世界碳纤维发展史上是属于后来者,20世纪70年代到80年代诸多欧美大型跨国企业都曾经投资生产过碳纤维。但当英国碳纤维企业把目光瞄准在航空和军工应用领域并遇挫时,日本企业却把目光瞄向了体育休闲用品市场,并随着技术和市场机遇的成熟逐步切入航空航天市场,以及于近些年开始进入汽车等一般工业市场。

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日本碳纤维产业发展历程

在20世纪90年代欧美企业纷纷退出碳纤维生产领域的背景下,日本企业之所以能够在碳纤维领域突出重围,一般认为有三方面原因:

(1)技术上。碳纤维以丙烯腈基为主,日本的碳纤维龙头企业东丽、帝人和三菱都曾是纤维制造商,有生产纺织服装用丙烯腈纤维的经验。而许多欧美碳纤维厂商原先为化工企业,在纤维制造技术方面缺乏优势;

(2)市场上。碳纤维是高技术和高附加值产品,在发展初期产品性能一般,无法胜任航天军工等领域的要求,而且彼时航天军工市场对于使用碳纤维作为替代材料的动力也不足,因此许多欧美企业以航空和军工作为切入点时受挫,并出现产能过剩以致亏损。日本企业以体育休闲市场为突破口,产品性能可以很好地满足该市场的需求,并且在20世纪70年代后半期世界油价飙升,以日本东丽为代表的日企借着民用航空急需寻找轻质材料以减轻油耗的东风,顺势切入航空等更高端的市场。

(3)资金上。碳纤维生产具有投资高、成本回收期长以及终端市场不确定等特点,因此许多企业最终退出了碳纤维生产领域。

日本碳纤维行业发展历史上的大事件:

1959年——日本工业技术院大阪工业试验所进藤博士采用PAN奥纶为原料研究开发PAN基碳纤维

1961年——进藤博士开发出PAN基碳纤维技术

1963年——进藤昭男宣布PAN是最适合生产碳纤维的前躯体

1965年——日本群马大学的大谷衫郎利用煤焦、石油炼制过程中的副产品沥青研制沥青基碳纤维获得成功

1969年——日本东丽研制成功高比强度和高比模量的碳纤维

1971年——东丽公司开始生产PAN基的碳纤维(Toraca T300)

1974年——三菱人造丝公司开始生产PAN基碳纤维

1975年——东邦公司开始生产PAN基碳纤维,东丽的碳纤维成功地应用在波音737的次承力部件

1983年——三菱丽阳开始碳纤维工业生产

1986年——东丽研制成功高强中模碳纤维T1000

1987年——东丽的T300获准在空客A320主承力部件中应用

1989年——东丽研制成功高模中强碳纤维M60

1990年——东丽新式高强高模碳纤维预浸料在波音777飞机的主承力部件上获得应用

 

政府在政策上积极引导,业内成立产业联盟

日本是一个能源极度匮乏的国家,石油、天然气、煤炭等能源98%依赖进口,其作为资源小国,高度重视提高能源利用效率、减少能源消耗和降低CO2排放。碳纤维作为航空和汽车工业轻量化的理想材料,受到日本政府的亲耐,在“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”和“京都议定书”等多项基本政策中,均将碳纤维作为战略发展项目,并给予人力、经费上的大力支持。

此外,日本早在1978年成立“碳纤维座谈会”,并于1988年更名为“日本碳纤维协会”,即构成了日本碳纤维产业联盟。联盟会员不仅包括碳纤维制造商(东丽、三菱、东邦),还包括中间材料制造企业、复合材料加工企业和材料回收利用企业。其中,部分碳纤维制造商还能生产碳纤维复合材料的终端用品。由于联盟基本覆盖了碳纤维整个产业链,因此能够全面掌握产业中存在的问题和需求,有效服务于产业各个环节,同时有利于会员间优势互补、风险共担。

日本碳纤维产业联盟:

1. 正会员

东丽株式会社、三菱丽阳株式会社、株式会社吴羽、东邦特耐克丝株式会社、大阪燃气化学株式会社、三菱树脂株式会社、日本石墨纤维株式会社、日本碳株式会社

2. 赞助会员

JX日矿日石能源株式会社、日本焦炭工业株式会社

 

行业集中度高,各企业在技术和产品上形成差异化竞争

在小丝束碳纤维市场上,东丽、帝人(东邦母公司)和三菱三者合计占据全球63%的市场份额;在大丝束碳纤维市场上,东丽(于2014年2月完成收购美国Zoltek)和三菱合计占据全球57%的市场份额。东丽、帝人和三菱三大巨头在日本本土碳纤维市场上构成了寡头垄断,并且在全球碳纤维市场上也拥有举足轻重的影响力。

东丽株式会社于1971年开始生产PAN基碳纤维,公司在世界26个国家拥有运营网络,在日本、美国、欧洲和韩国建有碳纤维生产基地,2015年碳纤维产能约4.01万吨/年(含Zoltek 产能1.3万吨/年)。

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东丽全球碳纤维业务布局

帝人集团旗下负责碳纤维及复合材料业务的核心公司为东邦株式会社,其于1975年开始生产PAN基碳纤维,公司在世界80个国家开展业务,在日本、德国和美国建有碳纤维生产基地,2015年碳纤维产能约1.65万吨/年(日本、德国碳纤维产能1.15万吨/年,美国高性能碳纤维产能0.5万吨/年)。

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帝人全球碳纤维业务布局

 

三菱化学控股株式会社于2015年4月对旗下碳纤维业务进行了整合,由三菱丽阳接手三菱树脂沥青基碳纤维业务,并成为全球唯一同时具备生产PAN基碳纤维和沥青基碳纤维的公司。三菱丽阳最早于1974年开始生产碳纤维,在日本、美国和德国均有碳纤维生产基地,2015年碳纤维产能约1.01万吨/年。

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三菱全球碳纤维业务布局

 

注重碳纤维产业链上垂直经营,以保证产品质量

日本的大型碳纤维企业大多建立了碳纤维产业链上的垂直经营体系,一方面增强企业竞争力,另一方面,也有利于控制产业链条各个环节的工艺参数,同时促进对市场演变和客户需求的理解,以制备出满足特定用途的合格产品,增强产品稳定性,提升产品质量。

东丽通过旗下公司全覆盖了从PAN原丝到复合材料等产业链上各阶段产品,其对碳纤维产品的应用格外重视,为此建立起了包括碳纤维、碳纤维预浸料、碳纤维织布、碳纤维层压材料和碳纤维复合材料在内的碳纤维及其下游产品体系。

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东丽碳纤维产品布局

帝人在热塑型碳纤维和高性能碳纤维上作了较多布局,建立了包括碳纤维、碳纤维复合材料和聚丙烯腈预氧化纤维(Pyromex,抗燃性较好)在内的产品体系。

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帝人碳纤维产品布局

 

三菱丽阳实现了从原料丙烯腈、原丝、碳纤维到最终产品一条龙生产,其充分优化从原料到产品的生产体系,以提供优质产品吸引客户。

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三菱碳纤维产品布局

 

在技术细节和产品类型上存在一定差异,以避免过度同质竞争

为了避免产品的激烈竞争,满足市场上对各类碳纤维的需求,日本碳纤维巨头在技术细节、产品类型和目标市场上均存在一定差别。其中,东丽主要生产飞机用碳纤维材料,在飞机应用领域占据稳固的地位;帝人开发了适用于热塑性树脂的碳纤维产品,热塑性CFRP最初就是高分子,成型过程中无固化反应,可实现约1分钟成型试件,与汽车工厂的制造时间基本相同,相对热固性CFRP大大提高了生产效率;三菱丽阳则在大丝束碳纤维和沥青基碳纤维上具有一定优势。

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三家碳纤维龙头的产品应用定位

 

申请诸多专利,寻求技术保护

从数量上看,日本企业在碳纤维技术领域表现强劲,在排名前18的机构中占据半壁江山。其中,排名前三的分别是东丽、三菱和东邦(为帝人旗下公司),东丽拥有912件碳纤维相关专利,三菱拥有879件碳纤维相关专利,东邦拥有300件碳纤维相关专利。

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全球碳纤维相关专利数量排名

 

与下游巨头建立紧密合作关系,形成产业链互动

日本碳纤维行业龙头均与下游应用巨头建立了紧密的合作关系,以优势互补。其中,东丽与戴姆勒组建了合资企业,与丰田合作生产CFRTP,与美国贝尔直升机和波音公司都签署了超过10年的长期供给协议;帝人与通用开展合作;三菱与西格里和宝马的合资公司合作。

通过与下游巨头紧密合作,不仅可以获取稳定订单、抢占市场份额、构筑进入壁垒,还可以通过与下游巨头合作研发,来形成产业链互动。比如,在三菱、西格里和宝马三家公司的合作下,CFRP成型时间被压缩到10min以内,使成本降低到了实用水平,并成功用于宝马i3。此外,戴姆勒与东丽、通用汽车与帝人也开展了合作,在为扩大碳纤维在车体中的使用进行技术开发。

东丽

● 2011年与戴姆勒开展合作,组建合资企业在大批量生产的汽车上使用低成本碳纤维增强型复合材料。

● 2014年,东丽和丰田合作生产CFRTP,被用于丰田Mirai燃料电池汽车。

● 2015年,东丽旗下分公司东丽美国(TCA)与美国贝尔直升机签署Torayca碳纤维预浸料供给协议,协议期限在10年以上。根据协议,Torayca碳纤维预浸料将被用来生产民用中型直升机“Bell 525 Relentless”机身框架结构。

● 2016年,与波音公司签署了一份长期合约,为新型波音777X客机供应碳纤维半固化片,同时将两家公司现有的B787梦幻客机的碳纤维半固化片供应协议延长逾10年时间,总合约价值超过1万亿日元。

帝人

● 2012年,东邦Tenax公司宣布和泰国的Metal Mate有限公司签署了一项为压缩天然气罐供应TENAX碳纤维的协议,东邦Tenax确定其作为Metal Mate的独家碳纤维供应商。

● 2016年与通用开展合作,通用汽车公司正利用日本帝人公司拥有专利的快速循环复合材料生产技术开发碳纤维增强型复合材料,用于汽车和卡车的主要结构部件。

三菱

● 2011年,与西格里和宝马的合资公司合作,其碳纤维原纱被加工成CFRP用于宝马i3。在三家公司的合作下,CFRP成型的时间被压缩到10min之内,使成本降低到了实用水平。

● 2016年,三菱丽阳与美国Continental Structural Plastics(CSP)公司宣布,正在考虑组建一个合资企业,为北美汽车制造商生产碳纤维结构部件;

 

展开大量收购以纵向延伸或横向扩张,在汽车领域布局力度明显

以东丽为代表的日本碳纤维领域企业近年展开大量收购,从相关案例可以看出,日企主要是通过收购来向产业链下游延伸,这是因为产业链下游的附加值会更高。其次,日企也会通过收购来切入新的业务或进入新的市场。最为关键的是,自2013年,日企的收购基本是围绕汽车领域进行,足见巨头看好未来汽车领域的需求空间。

● 2012年11月 三菱丽阳完成收购日本CFRP零件制造商Challenge公司和德国多轴向织物制造商TK Industries公司。

● 2013年3月 东丽从童梦集团收购了泰国CFRP部件生产企业Carbon Magic公司,该公司拥有高精度热压罐技术,可生产汽车部件、医疗器械部件等。

● 2013年4月 三菱丽阳将美国Aldila公司并入,收购对价2200万美元。Aldila公司是美国最大和世界领先的碳纤维制高尔夫球杆生产厂家,拥有从预浸料到成品的整套生产线,三菱丽阳希望借此强化碳纤维高尔夫球杆和预浸料产业。

● 2013年7月 东丽收购碳纤维企业Plasan Carbon Composites(Michigan)20%的股份,注资约10~30亿日元。Plasan Carbon Composites是美国通用汽车等企业的碳纤维零部件供应商,东丽借此正式进入美国汽车市场。

● 2013年11月 东丽(韩国)和韩国熊津集团就收购其旗下熊津化学56.2%股权事项达成协议,收购价为4300亿韩元(约4.03亿美元)。熊津化学是韩国知名的高性能纤维和反渗透水处理薄膜生产商,并于2011年底涉足碳纤维生产。

● 2014年2月 东丽完成对全球第三大碳纤维制造商美国Zoltek公司的收购,对价5.84亿美元,从而进入大丝束碳纤维业务。Zoltek生产的碳纤维单价是东丽高性能纤维的60%左右,主要供应建材和汽车零部件厂家。

● 2014年8月 三菱丽阳收购了德国车用碳纤维增强塑料生产商Wethje公司51%的股份,希望利用Wethje作为CFRP零部件的开发和生产基地,进一步加强在欧洲车用碳纤维中间体业务供应链。

● 2015年1月 东丽接管纱帝集团(Saati Group)位于意大利米兰Legnano的工厂,收购协议包括纱帝集团在欧洲的碳纤维织物和预浸料业务,耗资约数十亿日元,东丽希望借此加强用于高端汽车车体等零部件的碳纤维复合材料业务。

● 2015年4月 三菱丽阳接手三菱树脂的碳纤维业务,其中,三菱丽阳生产PAN基碳纤维,而三菱树脂则生产沥青基碳纤维。

 

唯创新是任何产业发展和进步的不二法宝

我国碳纤维工业的起步可以追溯到 1962 年,总体上与日本碳纤维的研发同步进行,但在产业化生产和集中度方面却存在较大差距。直到2005年,我国碳纤维行业总共仅有10 家企业,合计产能仅占全球总产能的1%左右。因此借鉴日本碳纤维产业的发展经验对我国碳纤维工业的发展具有重要的参考价值。

从日本东丽、帝人、三菱的碳纤维发展历程可以看出,推动碳纤维产业的发展不仅需要国家战略上的规划、政策上的引导和产业上布局,更需要行业企业在产品定位上(不同质化,恶性竞争)、技术研发和产品更新上(生产工艺和成本优势)、知识产权保护上和产业整合能力上(并购重组、业务调整)等方面上的布局和拓展,唯创新是任何产业发展和进步的不二法宝。

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