碳纖維領(lǐng)域最核心的先進(jìn)技術(shù)，尤其是超高強(qiáng)度高端碳纖維的干噴濕紡技術(shù)，依舊被美日壟斷。

正解局原創(chuàng)

一個(gè)月前，一條新聞引起了我的關(guān)注：中國(guó)建材萬(wàn)噸碳纖維生產(chǎn)線在西寧正式投產(chǎn)。

這個(gè)迄今為止我國(guó)最大的碳纖維生產(chǎn)基地，投產(chǎn)后高性能碳纖維的單線年產(chǎn)能有望達(dá)到3000噸。

碳纖維，一個(gè)很小眾的產(chǎn)品，作用卻極大。

中國(guó)年需求量5萬(wàn)多噸，國(guó)產(chǎn)化不足一半。

中國(guó)該如何打破外國(guó)碳纖維壟斷？

“碳纖維”這個(gè)名詞大概很多人都聽過(guò)，但究竟是什么，恐怕很多人還不清楚。

碳纖維是一種含碳量超過(guò)90%的，具有高強(qiáng)度、高模量性狀的纖維狀碳材料。

據(jù)說(shuō)，其發(fā)明可追溯到愛迪生。

當(dāng)年愛迪生改良燈絲延長(zhǎng)燈泡壽命，曾用竹子、亞麻或棉紗為原料，制造出碳纖維并獲得專利。

可惜因?yàn)榧夹g(shù)限制，當(dāng)時(shí)制造出來(lái)的碳纖維力學(xué)性能很差，工藝復(fù)雜，難以量產(chǎn)，所以技術(shù)就被暫時(shí)擱置了。

愛迪生

上世紀(jì)中期，各發(fā)達(dá)國(guó)家加大對(duì)航天航空領(lǐng)域的投入，科研人員迫切需要尋找一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕的材料，碳纖維剛好具備這些優(yōu)異性能，于是重新進(jìn)入人們的視野。

碳的密度比大部分金屬都低，所以碳纖維制品也比同樣的金屬制品更輕。

具體而言，碳纖維的密度只有鋼材的五分之一，但強(qiáng)度卻是鋼材的5到7倍。

一般認(rèn)為，碳纖維所擁有的高強(qiáng)度，來(lái)源于碳原子的整齊排列。

在碳纖維中，碳原子之間有著立體蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳-碳共價(jià)雙鍵，結(jié)合非常緊密，即便受到外力的強(qiáng)沖擊，也不會(huì)造成太大的形變破損。

當(dāng)然，想要得到如此緊密有序的“造型”，可不是件容易的事。

很多人對(duì)碳纖維的工藝不了解，存在認(rèn)知誤區(qū)。

其實(shí)，碳纖維并不是直接用碳做成的纖維，至少目前還達(dá)不到。

碳纖維制造工藝的基本流程，是采用如聚丙烯腈纖維、瀝青纖維和人造絲等含碳高的有機(jī)纖維作為原料，混合塑料樹脂后，在高溫高壓的惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行脫水炭化而成。

在大約1400℃的高溫“燒制”下，絕大多數(shù)碳已經(jīng)變成沿纖維軸平行排列的碳網(wǎng)面，由此帶來(lái)良好的剛性和強(qiáng)度。

碳纖維生產(chǎn)工藝流程

另外，成型的碳纖維直徑只有5到10微米，比頭發(fā)絲還要細(xì)得多。

跟很多人的直覺認(rèn)識(shí)不同，碳纖維越細(xì)，缺陷就越少，強(qiáng)度也越大。

不管什么樣的碳纖維，還都只是一維的，要變成可使用的制造業(yè)原材料，還需要編制處理，把碳纖維紡成薄薄的布。

不同類型碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)

為了讓碳纖維制品的硬度更好，碳纖維布之間會(huì)注入樹脂和固化劑，把它們一層層疊加黏合起來(lái)，就像一張張紙裝訂成一本書。

需求不同，層數(shù)也不一樣。這一步完成后，基本就是我們能看到的碳纖維制品的外觀形態(tài)了。

碳纖維制品

可見，碳纖維的優(yōu)良性質(zhì)，雖然本質(zhì)上來(lái)源于它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但落腳點(diǎn)還是制造工藝，產(chǎn)品的量產(chǎn)需要解決很多復(fù)雜的技術(shù)難題。

工藝復(fù)雜，價(jià)格自然昂貴，最早使用碳纖維的領(lǐng)域肯定不差錢兒。

航天領(lǐng)域?qū)Σ牧陷p量化的追求，早已達(dá)到以克為計(jì)量單位的程度，在安全的基礎(chǔ)上不斷追求更輕。

因?yàn)榛鸺枰薮蟮闹屏?，所以，燃料?chǔ)箱的重量往往占到整體重量的六成以上，如果能減輕容器自身的重量，火箭就能更輕盈，提升有效載荷，提高發(fā)射效率。

碳纖維耐高低溫、重量輕等特性，自然成為火箭的首選。

在這里講句題外話，世界航空航天的發(fā)展歷史，其實(shí)是相關(guān)材料科學(xué)的發(fā)展史。

每一代新材料的出現(xiàn)，都會(huì)引發(fā)顛覆性的變革。

與火箭一樣，飛機(jī)設(shè)計(jì)中也有結(jié)構(gòu)輕量化的考量。

用碳纖維制造的飛機(jī)，可以大幅節(jié)約能耗，不但使飛行航程擴(kuò)展，載荷提高，機(jī)動(dòng)靈活性還更強(qiáng)，而且飛行壽命也延長(zhǎng)了。

美國(guó)早在1969年就已經(jīng)把碳纖維復(fù)合材料用在了F-14A戰(zhàn)斗機(jī)上，但由于工藝和造價(jià)的限制，當(dāng)時(shí)僅僅使用了相當(dāng)于飛機(jī)自重1%用量的碳纖維。

可就是這么一點(diǎn)碳纖維，已經(jīng)讓美國(guó)軍方嘗到了甜頭。

到了以F-22和F-35為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)，碳纖維的使用比例驟然提升到飛機(jī)重量的24%和36%。

碳纖維的結(jié)構(gòu)，還讓戰(zhàn)斗機(jī)額外具有電磁屏蔽和隱身特性。

在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，碳纖維更是保證承載和續(xù)航的不二之選，使用比例是所有航空器中最高的。

美國(guó)全球鷹（GlobalHawk）無(wú)人偵察機(jī)碳纖維占比達(dá)到65%，X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”等幾個(gè)型號(hào)的無(wú)人機(jī)上，碳纖維的使用比例高達(dá)九成。

不同型號(hào)戰(zhàn)斗機(jī)碳纖維的使用比例

除了天上飛的，海里游的也照樣能用上碳纖維。

船舶艦體的上層建筑使用碳纖維，可減輕總體質(zhì)，提高安全性能；用碳纖維做葉片艦船推進(jìn)器，在減輕自重的同時(shí)能夠降低油耗，延長(zhǎng)使用壽命；桅桿、船體結(jié)構(gòu)上使用碳纖維，能增加艦船強(qiáng)度。

在軍事方面，碳纖維還有個(gè)很特殊的專門用途——制造炸彈。

碳纖維炸彈又叫石墨炸彈或軟炸彈（Soft Bomb），由經(jīng)過(guò)特殊處理的碳纖維制成。

咱們說(shuō)過(guò)碳纖維直徑很小，就能在高空中長(zhǎng)時(shí)間漂浮。

這些碳纖維，能進(jìn)入電子設(shè)備的內(nèi)部，以及冷卻管道和控制系統(tǒng)的電路中，造成短路。

在戰(zhàn)場(chǎng)上沒了電，軍事指揮所需要的各種高精尖裝備的使用就無(wú)從談起了。

碳纖維在軍事領(lǐng)域如此重要，必然屬于戰(zhàn)略物資。

隨著科技軍轉(zhuǎn)民的潮流，碳纖維也廣泛應(yīng)用于民航、醫(yī)療、汽車、體育等民用領(lǐng)域。

咱們自己的民用大飛機(jī)C919的發(fā)動(dòng)機(jī)上，使用碳纖維復(fù)合材料的葉片，重量比傳統(tǒng)鈦合金減少500多公斤，機(jī)身整體重量減少1噸。飛機(jī)油耗降低，航程提升。

C919

在醫(yī)療領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用很廣泛。

比如在人工骨骼和關(guān)節(jié)方面，由于碳纖維具有優(yōu)良的力學(xué)強(qiáng)度和抗拉蠕變性能，制造出來(lái)的骨骼更接近人骨，與人體相容性更好；用碳纖維制成的人工關(guān)節(jié)，在關(guān)節(jié)連接處的耐磨性也比金屬制品要更高。

國(guó)內(nèi)碳纖維的最大消費(fèi)方向是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片，約占民用碳纖維消費(fèi)的四成。

風(fēng)電葉片越來(lái)越長(zhǎng)，傳統(tǒng)玻璃纖維復(fù)合材料，已經(jīng)無(wú)法滿足風(fēng)電葉片大型化、輕量化的要求。

碳纖維材料具有更低的密度和更高的強(qiáng)度，可以保證風(fēng)電葉片在增加長(zhǎng)度的同時(shí)，大大降低重量。

布加迪Chiron 110 ans特別版采用碳纖維車身

小到羽毛球拍、嬰兒推車，大到輪船飛機(jī)、超高速列車，對(duì)碳纖維的需求無(wú)處不在。

在巨大的消費(fèi)需求面前，我國(guó)碳纖維市場(chǎng)的國(guó)產(chǎn)化程度比較低，供應(yīng)略顯不足。

這種不足，主要是因?yàn)樵蹅兤鸩教怼?/p>

上世紀(jì)50年代初，美國(guó)空軍就開始把新材料的研發(fā)重點(diǎn)放在碳纖維上。

1959年，美國(guó)空軍材料實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)聯(lián)合碳化公司首次用人造絲作為原料，實(shí)現(xiàn)了碳纖維的量產(chǎn)。

1960年代，日本也加入碳纖維的研發(fā)，日本碳公司實(shí)現(xiàn)了通用級(jí)聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)。

1971年，日本東麗公司的高性能聚丙烯腈基碳纖維在滋賀試投產(chǎn)。

日本東麗公司

日本采取的聚丙烯腈技術(shù)比美國(guó)的人造絲技術(shù)更先進(jìn)。

1970年代，美國(guó)聯(lián)合碳化公司主動(dòng)找到日本東麗公司達(dá)成合作協(xié)議，用自己比較成熟的碳化技術(shù)與東麗公司的聚丙烯腈原絲技術(shù)交換。

美日兩國(guó)各取所需，形成了碳纖維技術(shù)的雙雄壟斷。

西歐各國(guó)也在1970年代加入碳纖維的技術(shù)大戰(zhàn)。

到1980年代中期，聚丙烯腈基碳纖維成為各國(guó)主流，全球年產(chǎn)能力在7200多噸，除滿足科研用途之外，基本全都用在航空航天等高精尖領(lǐng)域，特別是軍事領(lǐng)域。

追溯起來(lái)，我國(guó)的碳纖維研究起步于1970年代初期，中科院化學(xué)所高分子材料物理研究室進(jìn)行了相關(guān)研究。

1975年，時(shí)任國(guó)防科工委主任的張愛萍將軍主持召開專題會(huì)議，部署國(guó)內(nèi)碳纖維研究工作，還制定了十年規(guī)劃。

但由于美日對(duì)于碳纖維技術(shù)的壟斷，我國(guó)的碳纖維技術(shù)一直在低水平徘徊。

到了1990年代，雖有零星產(chǎn)品，但始終無(wú)法大規(guī)模生產(chǎn)。

2000年，在師昌緒院士的牽頭和推動(dòng)下，發(fā)起了中國(guó)碳纖維技術(shù)攻關(guān)的新一輪戰(zhàn)略構(gòu)思。

2001年1月，80歲的師院士給江澤民主席寫了《關(guān)于加速開發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告》，各主要領(lǐng)導(dǎo)對(duì)我國(guó)碳纖維的發(fā)展有了清晰的認(rèn)識(shí)，相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目再次啟動(dòng)。

以2002年入選國(guó)家863計(jì)劃為新起點(diǎn)，我國(guó)碳纖維開啟了沖出壟斷的逆襲之旅。

師昌緒院士

經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，到2019年中國(guó)碳纖維的理論產(chǎn)能已經(jīng)排名第三，以2.685萬(wàn)噸僅次于美國(guó)（3.73萬(wàn)噸）和日本（2.91萬(wàn)噸）。中、美、日三國(guó)總共占有全球碳纖維總產(chǎn)量的六成。

居安思危，雖然我國(guó)的碳纖維的產(chǎn)量已經(jīng)大幅提升，但主要是通用型的低端產(chǎn)品，采用濕紡技術(shù)。

碳纖維領(lǐng)域最核心的先進(jìn)技術(shù)，尤其是超高強(qiáng)度高端碳纖維的干噴濕紡技術(shù)，依舊被美日壟斷。

該技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、碳纖維品質(zhì)好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)的高端牌號(hào)碳纖維，特別是T-1000及以上級(jí)別的超高強(qiáng)度碳纖維更是高端尖貨，是美日對(duì)我國(guó)技術(shù)封鎖的“卡脖子”領(lǐng)域。

掃描電鏡下，單根碳纖維的表面結(jié)構(gòu)（左：濕紡纖維；右：干噴濕紡纖維）

比如日本東麗公司，作為全球最大的碳纖維生產(chǎn)商之一，其產(chǎn)品從小絲束到大絲束，從線、條到面板，已經(jīng)做到了全系列覆蓋，代表著碳纖維工業(yè)化技術(shù)的最高水平。

東麗公司對(duì)高端碳纖維材料的壟斷，占據(jù)著航天航空的國(guó)際市場(chǎng)。

盡管我國(guó)對(duì)高模高強(qiáng)碳纖維的研發(fā)工作，已經(jīng)成功攻克了實(shí)驗(yàn)室制備技術(shù)，科研成果和實(shí)際效果也已經(jīng)接近了國(guó)際先進(jìn)水平。

但在產(chǎn)業(yè)方面，我國(guó)的碳纖維技術(shù)、生產(chǎn)水平，則主要集中在中低規(guī)格的通用型產(chǎn)品。

通用性級(jí)別的產(chǎn)品，占到國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品的九成，用于民用產(chǎn)品的制造比較合適，卻很難滿足高端工業(yè)領(lǐng)域，尤其是現(xiàn)代國(guó)防的需求。

任何技術(shù)要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地，除了與之配套的技術(shù)，還需要包括原材料、設(shè)備、工藝控制等多方面的協(xié)同發(fā)展和完善。

為了突破美日在碳纖維方面的技術(shù)封鎖，2018年，集全國(guó)10余所高校、科研院所、企業(yè)的通力合作，我國(guó)已成功實(shí)現(xiàn)了從12K小絲束到48K大絲束的突破。

2019年初，中科院山西煤炭化學(xué)研究所實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡制備T-1000級(jí)超強(qiáng)碳纖維的核心技術(shù)突破，并且在國(guó)內(nèi)首次開發(fā)出聚丙烯腈基新型中空碳纖維。

西寧投產(chǎn)后，未來(lái)仍可期。今年1月，上海石化1.2萬(wàn)噸/年48K大絲束碳纖維項(xiàng)目正式開工建設(shè)，計(jì)劃2024年建成投產(chǎn)。