这是一部史诗般的碳纤维发展历史,在欧美将航空军工领域市场牢牢把控的时候,看日本企业如何靠体育用品突围。日本碳纤维企业开发体育用品市场,竟然是因为日本人身材矮小,力量不足,碳纤维这个时候派上用场。

文/苏格拉伟 (微信号:zahawe)

从19世纪开始人们意识到将有机纤维在碳化的时候,非碳原子将会溢出,最终会得到含碳量超高的碳纤维。当钨丝还没有被发现的时候,斯旺和爱迪生就尝试用碳丝作为灯泡的灯芯材料。但是直到二次世界大战之前,没有人想到可以用纤维与树脂混合制造复合材料。

直到美国国防部开始研发火箭的耐烧蚀材料,这方面的研究才开始进行。于是联合碳化物公司开始用黏胶丝作为前驱体生产碳纤维。

在这同时,日本大阪工业研究所的近藤昭男也在进行类似的研究。当时谁也没想到,突破竟然从这里开始。近藤昭男的研究结果显示,使用PAN作为前驱体制造的碳纤维强度和模量远远高于黏胶基。1959年的时候,近藤昭男申请了专利,并将这项技术授权给东海电极和日本碳公司。之后,又授权给日本东丽公司,这家公司随后逐渐成为世界领先的碳纤维生产商。

另一项重要的技术突破产生于英国皇家航空研究院(Royal Aircraft Establishment,简称RAE),这家机构坐落于英国法恩伯勒。瓦特在领导团队研究航空器结构材料的时候,一直想寻找一种高强度、低密度的材料。但是他们的研究一直没有进展,直到了解到近藤昭男用PAN制备碳纤维之后,才获得灵感。他们在制备工艺上进行了创新,在PAN预氧化的时候,施加一定的牵伸,制造的碳纤维强度两倍于近藤昭男。1963年他们将这项技术申请了专利,从此PAN基碳纤维的开发序幕拉开了。

随后RAE与英国原子能研究院进行合作。英国原子能研究院位于Harwell,这家机构在高温石墨技术方面具有非常丰富的经验。

在1967年,在当时的财政规则下,英国国家研究开发公司获得了法恩伯勒专利。

英国政府于1948年组建国家研究开发公司(National Research DevelopmentCompany,简称NRDC),负责对政府公共资助形成的研究成果的商品化。根据英国1967年颁布的《发明开发法》,NRDC有权取得、占有、出让为公共利益而进行研究所取得的发明成果,所有大学和公立研究机构,无论是实验室还是研究所,也无论是团体还是个人,只要所进行的研究是由政府资助的,成果一律归国家所有,由NRDC负责管理。

NRDC开始作为研究成果的管理者,将法恩伯勒专利授权给三家英国公司开发。考陶尔兹、摩根坩埚、罗尔斯-罗伊斯公司。

罗尔斯-罗伊斯公司(Rolls-Royce)是一家航空发动机公司,他们准备将碳纤维应用于他们开发的飞机发动机上。

摩根坩埚公司(MorganCrucible)是一家生产石墨制品的公司,具有丰富的高温材料技术,对石墨结构的研究也非常深入。

考陶尔兹公司(Courtaulds)是一家生产丙烯酸的公司,他们跟RAE的研究一直保持密切联系,他们生产的PAN原丝非常适合做碳纤维。

三家英国公司都设立了小型试验生产线。

考陶尔兹拥有51项相关专利,所用的PAN原丝也是自己生产的。他们制造出来的碳纤维商品名叫Grafil。12K的小丝束碳纤维目标客户是哪些需要增加强度和减轻重量的领域。而24K的碳纤维目标是那些用量比较少的工业领域,比如飞机的刹车盘。

碳纤维的产业链包括:

1首先是聚丙烯腈(PAN)原丝,当然黏胶丝和沥青也会用到;

2之后是将PAN原丝进行预氧化和碳化制造出碳纤维,用少量树脂将碳纤维丝束结合在一起。大丝束用来给那些用量较少的领域;

3 再下游是将碳纤维与树脂结合在一起(通常是环氧树脂),制造出预浸料,它们的质量很大程度上取决于原丝质量。

4 最终是将预浸料根据客户要求制造成各种制品。

RAE的技术引起了英国民众的热情,从航空工业到政府都坚信英国掌握了一种世界领先的新型技术,将会引起第三次工业革命。从1969年英国科技特别委员会发布的一份报告中提到,RAE的技术给英国带来一个巨大的机会,“尽快建造大规模生产工厂对英国国家利益至关重要。”这种迫切心理在英国投资者那非常普遍,他们经常拿盘尼西林青霉素来做类比。由于英国并没有抓住盘尼西林的机会,他们不想在碳纤维上重蹈类似的覆辙。

因为碳纤维具有强度高、重量轻的特点,所以早期人们一直把航空领域的应用作为碳纤维的只要市场。英国航空器公司计划将碳纤维应用于新一代的机身和机翼部件上。罗尔斯-罗伊斯公司计划将碳纤维应用于他们第一代涡轮发动机RB211的前压缩机叶片。这是一种创新,罗罗公司计划与美国通用电气和普拉特惠特尼进行竞争。

当洛克希德开发出一款名叫三星客机的宽体飞机后,受到航空公司的追捧,这种型号的飞机使用了罗罗公司的RB211发动机,也给初出茅庐英国碳纤维业带来振奋。

但是1969年罗罗公司的发动机遭遇一次撞鸟而崩溃的时间之后,这种振奋变成了震惊。随后洛克希德公司取消了该发动机订单,并导致罗罗公司发生财务危机,最终被收归国有。

这个小插曲打击了英国下议院乐观的心情。然而美国继续研究黏胶基碳纤维在航空工业中的应用,虽然罗罗公司遭遇打击,但是大多数美国公司仍然相信英国是碳纤维技术的领导者。

在三个被NRDC授权的英国公司中,考陶尔兹是最渴望开展碳纤维商业生产的公司,他也在频繁跟美国相关公司接触。一位考陶尔兹管理层说:“碳纤维发展的步伐令人心潮澎湃,当时很多大的美国公司拎着装满美元的手提箱来换碳纤维。因为大家都将注意力集中在航空领域,所以没人注意到日本公司的动作,也没考虑到碳纤维在其他领域的市场。

考陶尔兹与美国市场

为了进入美国市场,考陶尔兹与Hercules签订了一份协议。当时Hercules在生产导弹用材料。考陶尔兹将碳纤维技术转授给Hercules以获得授权费。Hercules之后在盐湖城建立了一个工厂,并从英国进口PAN原丝。

开始这两家公司合作非常好,他们不但合作碳纤维生产还合作开发碳纤维制品。然而,裂隙开始产生。因为考陶尔兹的Grafil碳纤维有一些缺点,导致在航空领域的应用并不是太顺利。Grafil碳纤维开始只有5K和10K的丝束,而竞争者提供的是3K、6K、12K的丝束,后者更容易被美国航空标准接收。考陶尔兹的碳纤维还含有一些杂质,在相对使用量较少的领域还可以,但是用在航空领域就不行了。考陶尔兹不情愿或者没有能力解决以上问题,于是1979年Hercules终止了与考陶尔兹的合作,转而寻找日本的PAN原丝供应商——住友化学。

同时,一个新的碳纤维应用领域开始出现。1972年,一位美国企业家Jim Flood发现使用碳纤维球杆可以将高尔夫球击出比铁杆多30码的距离(Jim Flood也被称为高尔夫球界的爱迪生)。当时欧洲和美国的碳纤维厂商已经将航空领域市场占领,日本公司根本进不去,于是日本公司的碳纤维转而开发体育用品领域。

日本的高尔夫球手体型小,比欧美对手力量也小,所以这种新型球杆出来之后,受到日本球手的欢迎。之后碳纤维的应用开始扩展到网球拍、滑雪杆和其他体育用品。当时体育用品最主要的生产商都在台湾和韩国,于是韩国和台湾成为日本碳纤维的主要客户。

和考陶尔兹一样,日本的碳纤维生产商也是具有聚丙烯腈纤维生产背景,包括东丽公司,也是传统PAN纤维制造商。其中三菱人造丝在早期并没有原丝生产背景,于是他跟考陶尔兹购买PAN原丝,自己生产碳纤维。考陶尔兹提供PAN原丝的时候,也提供碳纤维生产的技术支持,目的是获得进入日本和东亚市场的门票。 三菱人造丝用碳纤维生产高尔夫球杆、而考陶尔兹获得一部分市场份额。

Grafil需求量开始暴增,但是美国的碳纤维出口量却是最大的。跟Hercules的合作失败后,考陶尔兹开始寻求其他的合作伙伴,1983年与Dexter合资。Dexter是一家生产航空粘结剂的公司。二者的合资公司叫Hysol Grafil,在美国加州首府萨克拉门托设立工厂,希望借助考陶尔兹的原丝技术和Dexter的树脂技术获取美国国防航空市场份额。但是这次的合作也没有获得成功,合资公司生产的碳纤维质量并不比竞争者好。同时考陶尔兹向下游制品领域扩展,使得Grafil碳纤维很难进入具有竞争关系的客户。这次合作随后也宣告结束,考陶尔兹卖掉持有的Dexter股份。

1984年碳纤维生产量

欧洲

美国

日本

总计

航空领域

330

1100

50

1490

体育用品

200

400

500

1100

工业领域

180

300

350

830

总计

710

1810

900

3420

一篇竟然写不完,还有大量内容没揭露,那就下一篇文章再写。下一篇文章,将会重点讨论日本东丽是如何崛起的。

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