在陶瓷、稀土、合金、有機硅等新型材料中，有一種材料具有十分獨特的優(yōu)越性，它就是被譽為“新材料之王”的碳纖維。小到球拍、釣魚竿等民用產品，大到飛機、衛(wèi)星和導彈等高精尖設備，都是碳纖維大展身手的領域。正是因為有著耐高溫、耐腐蝕、重量輕等諸多特殊性能，碳纖維一直以來都是國外進行技術封鎖和產品壟斷的戰(zhàn)略物資。再加上碳纖維的制造難度高、工藝復雜等原因，導致我國碳纖維的研究和發(fā)展在過去很長一個時期處于落后狀態(tài)。

20世紀80年代，我國組織全國力量開展碳纖維研制攻關，近年來已相繼實現(xiàn)了多個系列和級別的碳纖維國產化，而且解決了宇航級碳纖維的自主保障問題，使我國成為繼日本、美國之后第三個掌握宇航級碳纖維技術的國家。

隨著航空航天、風力發(fā)電、氫能源和新能源汽車等產業(yè)的發(fā)展，碳纖維行業(yè)正步入發(fā)展的快車道。在碳纖維的研究領域，我們實現(xiàn)了哪些重大突破？未來在碳纖維產業(yè)化的道路上，我們還有哪些問題亟待解決？

碳纖維為什么神奇

一桶標準的碳纖維，重約1公斤，長15000米。它的顏色黑黑的，其貌不揚，但是它確實很神奇。它是由我們人造的有機纖維經過高溫轉化得到的含碳量達到90%以上的一種無機纖維，也叫“黑黃金”。

為什么說是神奇的碳纖維呢？主要體現(xiàn)在五個方面。

第一是細如發(fā)絲。碳纖維直徑大概在5—8微米。

第二是輕如鴻毛。碳纖維的密度是鋼的五分之一，是鈦的五分之二，是鋁的五分之三。用碳纖維做成的自行車，重量僅僅5公斤，一位女士就可以很輕易地把它單手提起來。

第三是強如鋼鐵。碳纖維很強，首先它的強度高，一束標準12K碳纖維，可以承受130公斤左右的重量。其次碳纖維非常耐高溫，碳纖維在3000 攝氏度下依然安然無恙。

第四是制備非常難。它的制備難度與航空發(fā)動機制造、芯片制造、微納制造是可以比擬的，它也是集人類工業(yè)文明之大成的一個杰作。碳纖維制備流程非常長，它包括上百個細分的工序，目前統(tǒng)計有兩千多個要控制的參數(shù)，是一個確確實實需要千錘百煉的過程。有專家統(tǒng)計，如果純粹靠實驗來研制碳纖維，所需要做的實驗次數(shù)是10的6次方到10的7次方。如果每天做10次實驗，碳纖維的研制需要上千年甚至更長的時間，所以是一個非常艱難的研發(fā)、制備過程。

第五是貴如黃金。因為碳纖維的制備非常難，流程非常長，所以它非常貴。目前宇航級的碳纖維，它的價格每公斤在千元到萬元這個范圍，是鋼和鋁合金的幾十倍。

碳纖維還有其他很多優(yōu)點，比方說它的耐腐蝕性能好，能耐各種酸、堿、油，還包括海洋環(huán)境，它的耐腐蝕性能優(yōu)于黃金和白金。同時碳纖維還有一個非常奇特的特點，就是它的膨脹系數(shù)接近0，在負100攝氏度到正100攝氏度之間，它的尺寸基本保持不變。另外把碳纖維做成復合材料以后，它的抗疲勞性能非常好。

碳纖維有什么用

碳纖維材料從無到有，經歷了100多年的歷史。它的出現(xiàn)推動了相關領域的技術進步，同時也形成了一個巨大的消費市場。據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，目前全球碳纖維產能已經突破了10萬噸量級。如此數(shù)量的碳纖維究竟被應用在哪些領域？它又如何改變著我們的生活？?

碳纖維有什么用？主要包括以下三個方面。

第一，碳纖維是航空航天競爭力的一個重要標志。中國已經成為世界上第三個自主擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家，在這方面碳纖維是功不可沒的。北斗衛(wèi)星，看起來就像一座房子帶著兩只翅膀，它的房子和翅膀都是用碳纖維復合材料做的。為什么要用碳纖維？首先，衛(wèi)星要裝足夠多的儀器設備，要求它的結構重量比要小于5%，所以必須用碳纖維；其次，衛(wèi)星的天線、相機等設備要求很高的精度，要解決熱變形的問題，碳纖維正好有這方面的優(yōu)勢，所以現(xiàn)在包括北斗衛(wèi)星在內的高性能衛(wèi)星都是碳纖維復合材料化的衛(wèi)星。

第二，碳纖維是提升競技體育成績的一個制勝法寶。碳纖維在體育器材上應用廣泛。碳纖維的網球拍現(xiàn)在已經成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網球拍，最高球速可以達到每小時將近250公里，但是高性能的鋁合金網球拍只能達到每小時200公里左右，速度提高了20%以上。剛剛退役的網球運動員費德勒，就是用Pro staff這種碳纖維網球拍獲得了20屆大滿貫的冠軍。

第三，碳纖維將是第四次工業(yè)革命一個重要物質支撐。即將到來的星際航行、清潔能源和人工智能時代，碳纖維也將大有作為。人類要進入宇宙空間，要探索月球，要進行載人登月，要探測火星，也有可能要進行載人火星探測，要探索其他行星和小行星。無論進入宇宙空間到駐留宇宙空間，再到探索宇宙空間，包括今后建立宇宙空間的科考站，碳纖維都是不可或缺的。

今后會有大量的智能機器人，以機器人為代表的智能裝備，必須解決結構重量的問題，要輕量化，以保證它們的行走里程、續(xù)航時間等指標的完成。另外，這些智能裝備、機器人必須具備動態(tài)響應特性，碳纖維的復合材料在這方面有其他材料不可比擬的優(yōu)勢。在第四次工業(yè)革命前夕，在即將進入智能化、智慧化社會這個過程中，碳纖維和碳纖維復合材料將發(fā)揮越來越重要的作用。

大絲束碳纖維

按絲束規(guī)格的不同，可以將其分為小絲束碳纖維和大絲束碳纖維。大絲束碳纖被稱為民用工業(yè)新材料佼佼者。

碳纖維具有除一般碳素材料耐高溫，耐磨擦，導電，導熱及耐腐蝕等特性，還可表現(xiàn)出穩(wěn)定的化學性能及物理性能。每束碳纖維中所含單纖維根數(shù)是碳纖維的一個重要的指標。

大絲束碳纖維通常指碳纖維根數(shù)在48000 根即（48k）以上的纖維束，包括50000（50k）、60000（60k）、120000（120k）、360000（360k）等，而小絲束碳纖維指纖維根數(shù)小于48k的碳纖維束，如1000（1k）、3000（3k）、12000（12k）、24000（24k）等。與小絲束相比大絲束受到制作工藝的限制其模量與強度稍顯遜色，但是制作成本與售價具備高性價比，在工業(yè)領域尤其是風電領域得到了廣泛應用。

大絲束碳纖維的每一根絲束都有4.8萬根纖維，每一根纖維的直徑只有頭發(fā)絲直徑的1/7到1/8，是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。其力學性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的7~9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。

圖1?大絲束碳纖維

1. 大絲束碳纖維的特點

雖然大絲束碳纖維和小絲束碳纖維有很多共同的優(yōu)點，但是相對于小絲束碳纖維，大絲束碳纖維有很多特點，主要包括：

• 采用成本較低的民用聚丙烯腈（PAN）絲作為原絲

碳纖維原絲的制備是碳纖維開發(fā)和生產中最重要的技術之一。只有高性能的原絲才能生產出高質量的碳纖維。大絲束碳纖維使用低成本的專用PAN細絲作為原絲。用于制造小絲束碳纖維的特殊原絲幾乎相同。但是，價格大約是小絲束碳纖維特殊原絲的四分之一，并且原絲的價格通常約占碳纖維制備成本的60％。因此，大絲束碳纖維的價格僅為小絲束碳纖維價格的50％至60％。

• 具有較高的性能價格比

在國外，碳纖維的性能通常通過其價格性能比來衡量，即每美元的強度，模量，比強比模量。與小絲束碳纖維相比，大絲束碳纖維的性價比高得多。

圖2 大絲束和小絲束碳纖維的比較

相較于小絲束，大絲束產能在性能上偏弱，但性價比較強。從大絲束生產工藝可看出其生產成本較低，這也是大絲束的核心競爭力。

從性能上來看：大絲束碳纖維拉伸強度3.5-5.0 GPa、拉伸模量230-290GPa。相比之下，小絲束碳纖維力學性能更加優(yōu)異，拉伸強度3.5-7.0 GPa、拉伸模量230-650GPa。
從成本上看：民用聚丙烯腈原絲是制備大絲束碳纖維的原絲，通常原絲價格約為制備碳纖維成本的50~60%左右，因此，大絲束碳纖維的售價可以控制到小絲束碳纖維的50%-60%左右。市場上的一些大絲束碳纖維主要性能已經接近甚至超過了部分小絲束碳纖維。

圖3 大小絲束性能成本對比

2. 大絲束碳纖維主要應用領域

正是因為大絲束性價比高的特點，常把大絲束碳纖維運用于工業(yè)領域。碳纖維大絲束的性能雖然不比小絲束，但是其成本更低，隨著科技的發(fā)展，大絲束的運用也更加廣泛。其主要可以應用于機電、交通運輸、土木建筑、能源、紡織等工業(yè)領域，因此也被稱為工業(yè)級碳纖維。

根據(jù)《2016—2021全球碳纖維復合材料市場報告》，2021年國內碳纖維需求量占比前三的領域分別是風電葉片（36.10%）、體育休閑（28.10%）和碳/碳復材（11.30%）。

2021年國內大絲束的主要應用領域中風電葉片占比第一。國內碳纖維大絲束的主要具體細分應用領域有風電葉片、混配模成型、建筑、電纜芯與船舶。根據(jù)2021全球碳纖維復合材料市場報告中的數(shù)據(jù)，風電葉片占主要大絲束應用領域需求的78.4%，位居第一，第二與第三分別為占比10.5%的混配模成型與8.7%的建筑。

雖然大絲束碳纖維的工業(yè)領域應用繁多，其中風電葉片仍然是需求提振主力。無論是全部碳纖維類別還是大絲束碳纖維的應用領域中，風電葉片需求應用均排名第一。其中，2021年我國大絲束需求中風電葉片需求占比超過70%。風電葉片在技術與材料的不斷變革中，尺寸更大、質量更輕、性能更強成為核心訴求，能夠滿足上述訴求的增強材料屈指可數(shù)，碳纖維走進人們視野。

海風的發(fā)展為碳纖維在風電葉片上的應用提供了進一步發(fā)展機遇?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l(fā)展規(guī)劃》提供政策支撐，重點建設山東半島、長三角、閩南、粵東和北部灣五大海上風電基地。2021年中國累計海上風電裝機容量為26.39GW。海風葉片大型化趨勢相比陸風更加明顯，目前最長葉片已經超過120米，且大型葉片運輸相比陸地便捷。加之維斯塔斯碳梁拉擠工藝專利到期，我國在拉擠工藝上已實現(xiàn)技術突破，后續(xù)拉擠碳梁規(guī)模應用將會進一步推動碳纖維在葉片應用滲透率提升。

3. 大絲束碳纖維的現(xiàn)狀

碳纖維是世界各國發(fā)展高新技術、國防尖端技術和改造傳統(tǒng)產業(yè)的物質基礎和技術先導，是我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)中最主要的發(fā)展方向之一。同時具有明顯的軍民兩用特征，對國民經濟發(fā)展和國防現(xiàn)代化建設具有非常重要的基礎性、關鍵性和決定性作用。中國的碳纖維產業(yè)和國際先進水平存在較大差距。

• 發(fā)達國家主導碳纖維的技術演進

日本三大巨頭強勢壟斷，美、德緊隨其后。日本東麗一直以來是全球碳纖維制造的霸主，壟斷波音公司碳纖維的供應，2020年，東麗與東邦、三菱在全球丙烯腈基碳纖維銷量市占率達50%以上。

在碳纖維小絲束市場，東麗、東邦和三菱合計占據(jù)了全球小絲束碳纖維名義產能的 70%以上，占據(jù)壟斷地位。美國緊隨其后，美國赫氏擁有40多年美國軍機開發(fā)應用碳纖維的經驗，2020年赫氏與美國氰特銷量的市占率達到12%。

在碳纖維大絲束市場，日本東麗收購美國ZOLTEK后成為全球大絲束碳纖維的領頭羊，日本三菱也開始加大大絲束碳纖維的投入。德國SGL公司緊隨其后，2020年的銷量全球市占率達到23%。

如下表所示了截止2021年3月日本東麗公司碳纖維全球產能及分布情況；在2021年3月，日本東麗公司常規(guī)規(guī)格（小絲束）碳纖維全球產能為2.877萬噸/年，美國分公司和本土產能分別為9,900噸/年和8,970噸/年，大絲束碳纖維理論產能為2.61萬噸/年（2020年產能為2.54萬噸），碳纖維合計產能為5.487萬噸。

圖8?日本東麗公司2021年3月全球碳纖維產能情況

下表顯示了截止2022年3月日本東麗公司碳纖維全球產能及分布情況，其中常規(guī)規(guī)格（小絲束）碳纖維全球產能以及在法國、美國、韓國生產基地產能均保持不變；在大絲束碳纖維領域，日本東麗子公司Zoltek位于匈牙利、墨西哥生產基地產能由2.61萬噸/年提高到2.90萬噸/年；與2021年相比，碳纖維年總產能增加了3600噸。

圖9?日本東麗公司2022年3月全球碳纖維最新產能情況

得益于全球風電等行業(yè)用碳纖維需求高速增長，東麗公司不斷擴大大絲束碳纖維產能，2021年11月，日本東麗公司通過官網發(fā)布資訊，其美國子公司Zoltek將耗資約1.3億美元（約140億元人民幣）于2023年前提升公司大絲束碳纖維。這也是公司于2021年內第二次宣布產能提升計劃，在2021年6月，Zoltek公司已宣布將擴大其位于墨西哥瓜達拉哈拉工廠的碳纖維生產能力。

經過2021年內的兩次產能提升計劃，預計產線投產后，位于墨西哥Jalisco的Zoltek工廠大絲束碳纖維的年產能提升54%左右，達到20000噸以上，加上Zoltek在匈牙利工廠使得最終年產能合計提升至35000噸/年。此次東麗公司大絲束碳纖維年產能增加了3600噸也是產能快速擴張的結果。

• 高增長、高對外依存度是中國碳纖維的特點

據(jù)統(tǒng)計，2020年中國碳纖維的總需求約4.89萬噸，雖然有新冠疫情的沖擊但是仍然保持了29%的增速。

實際上，“十三五”期間，中國的碳纖維需求增速一直維持在兩位數(shù)以上。

受益于下游應用的打開，“十四五”期間中國的碳纖維需求增速可能仍然維持在一個非常高的增速水平。不僅如此，中國的碳纖維也一直維持著高對外依存度，2021年碳纖維行業(yè)整體進口量為33064.56噸，較2020年上漲8.72%。?

• 外部環(huán)境倒逼國內碳纖維產業(yè)升級

西方國家限制我們發(fā)展主要是小絲束碳纖維，相關領域存在嚴格的技術封鎖和產品禁運。對于工業(yè)領域用碳纖維，西方國家一直利用其先發(fā)優(yōu)勢，在價格上打壓本土企業(yè)。

2020年以來，受全球新冠疫情的影響，全球碳纖維的貿易整體受到較大沖擊，國外碳纖維出口國內的難度加大。

2020年下半年以來，日本、美國加強了對碳纖維出口中國的政策管控，導致碳纖維進口難度進一步較大。

2020年12月，因東麗子公司出口碳纖維流入了未獲日本《外匯及外國貿易法》許可的中國企業(yè)，日本經產省對該公司實施了行政指導警告，要求東麗子公司防止再次發(fā)生此類事件，并徹底做好出口管理。從2020年底開始，東麗暫停了對華出口碳纖維業(yè)務。

2021年2月，美國總統(tǒng)拜登簽署了行政命令，在聯(lián)邦機構間展開為期100天的審查，以解決四個關鍵產品供應鏈中的漏洞，其中包括碳纖維，主要目標是增強供應鏈的彈性，以保護美國免于未來面臨關鍵產品短缺。

材料產業(yè)取得突破的核心在于規(guī)模化生產，并且能夠和上下游溝通應用過程中需要解決的問題。海外管控強化和疫情反復實際上為本土企業(yè)脫穎而出提供了一個良好的產業(yè)發(fā)展環(huán)境。

考慮到本土企業(yè)已經實現(xiàn)了大絲束碳纖維的技術突破，同時，國內的市場又在快速崛起。我們認為歐美對華出口管控加強有可能利大于弊。

4.?我國大絲束碳纖維的發(fā)展狀況

眾所周知，碳纖維是新能源、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展的基礎，也是重大基礎設施建設的新型結構材料，更是大型飛機、衛(wèi)星、船舶等裝備研制和更新?lián)Q代的重要基礎。

碳纖維復合材料（CFRP）以其優(yōu)異的性能在多個領域均有使用，但是由于碳纖維價格居高不下，加之復合材料的制備成本高，限制了其在民用領域中的大規(guī)模應用。目前汽車用碳纖維預浸料單價高達400元/kg，遠遠高于其他的輕量化材料，主要應用于豪華汽車和賽車，在汽車行業(yè)的應用總量很低。根據(jù)專業(yè)測算，汽車用碳纖維需要下降到60-100元/kg，經濟性將能夠鋁合金相比。成本高是汽車用碳纖維大規(guī)模產業(yè)化的一大阻礙，是生產汽車用碳纖維產品的企業(yè)急需解決的一大難題。

碳纖維復合材料成本高的主要因素包括碳纖維原材料的生產成本較高和復合材料制備成本高等方面。因此，降低碳纖維復合材料成本的主要路徑是降低碳纖維原材料成本，尋求低成本纖維生產工藝以及低成本的CFRP制備工藝。其中，碳纖維原材料生產包括原絲、預氧化、碳化、表面上漿和卷繞成本。

如下表所示，PAN原絲占碳纖維生產成本的51%，是主要因素，其次是預氧化和碳化，成本占比分別為16%、23%。因此，目前有效的解決方法之一是發(fā)展大絲束碳纖維和新型碳纖維，日本三菱、東麗及美國的卓爾泰克公司開發(fā)的大絲束碳纖維是低成本制造技術的典型代表。

• 用“中國技術”生產性能優(yōu)異的碳纖維

碳纖維技術有著森嚴的技術壁壘，此前大絲束碳纖維生產技術主要掌握在美國、德國、日本的幾家大公司手中。我國的石化企業(yè)經過多年努力成為是國內第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術的企業(yè)。

大絲束碳纖維研發(fā)的主要難點包括大絲束碳纖維制備過程中氧化反應放熱的有效控制、一束絲4.8萬根碳纖維的紡絲均勻穩(wěn)定性控制，以及生產線連續(xù)運行周期和穩(wěn)定性。

為了在大絲束碳纖維制備中真正用上“中國技術”，我國從裝備到工藝，為大絲束碳纖維量身定制了專用生產線，根據(jù)大絲束碳纖維的生產要求自行設計氧化爐、碳化爐，不僅成功掌握了控制溫度場的關鍵技術，而且進行了節(jié)能型設計，可實現(xiàn)能源綜合利用。

此外，通過采用聚合物分子鏈結構調控技術獲得良好熱性能原絲，系統(tǒng)研究紡絲原液流變性能保證原絲質量穩(wěn)定性，開發(fā)特殊的連續(xù)生產技術，大大減少停車次數(shù)，極大提高生產效率。

• 國產大絲束碳纖維已開始產業(yè)化布局

上海石化首條48K大絲束碳纖維國產線可實現(xiàn)規(guī)?；⒏咂焚|生產。該項目計劃于2024年全部建成投產，屆時將達到2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年大絲束碳纖維產能。

自主研發(fā)大絲束碳纖維生產線投產，將給整個碳纖維市場帶來最大的影響是隨著碳纖維國產化的不斷推進，對市場最大的影響是進口碳纖維價格的下降。

數(shù)據(jù)顯示，隨著國內碳纖維國產化的推進，進口碳纖維價格預計將從最高每噸4.5萬美元降至每噸1萬美元左右，這對于全產業(yè)鏈應用來說是一個利好消息。

數(shù)據(jù)顯示，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬噸，其中大絲束碳纖維需求量為51400噸，占比約43.5%，在新能源、風電、光伏、汽車、體育用品等下游市場的應用需求將逐漸爆發(fā), 滲透率不斷提升。

我國碳纖維行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，根據(jù)目前各企業(yè)已宣布的投資擴產計劃，如果所有建設項目可以順利投產落地，“十四五”末期，中國新增碳纖維產能將達21萬噸以上，其中新增大絲束碳纖維產能達17.6萬噸，中國大絲束產能擴張時代將隨之開啟。

預計2030年，我國大絲束碳纖維產值應該能達到500億元量級，將帶動千億級的復合材料市場規(guī)模。除了大絲束碳纖維的研發(fā)和生產，中國石化也正大力推進碳纖維復合材料的研發(fā)和應用。中國石化有關負責人表示，在未來的碳纖維產業(yè)發(fā)展中，中國石化將在科研方面繼續(xù)加大投入，產業(yè)方面加快布局，機制體制方面深化創(chuàng)新，應用場景全面推廣，同時，堅持走自己的道路，做自己的特色產品。在“十四五”末，中國石化將在多種工藝流程實現(xiàn)通用級、大絲束、小絲束、高性能等產品的全面突破，進行總體布局，滿足國家各個領域的需求，為引領和推動中國碳纖維產業(yè)發(fā)展做出貢獻。

5. 大絲束碳纖維的市場前景

風能領域是主要驅動因素。截至2021年底，中國風電裝機規(guī)模328GW，占全球比例為39.2%，其中2021年新增47.57GW。雙碳背景下風電行業(yè)持續(xù)高景氣，風電材料升級轉型加速雙碳背景下可再生能源發(fā)展進入快車道，風電是我國僅次于煤電和水電的第三大發(fā)電來源，也是發(fā)展最快的可再生能源之一。根據(jù)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，到2025年，可再生能源發(fā)電量達到3.3萬億千瓦時，風電發(fā)電量較2020年實現(xiàn)翻倍，5年復合增速達到15%。隨著我國風電產業(yè)的蓬勃發(fā)展和風電產業(yè)升級降本的過程中，葉片材料革新以及海風加速崛起帶來的大絲束碳纖維材料正在迎來巨大的發(fā)展機遇。目前風能領域的碳纖維以24K-50K范圍的高強度、標準拉伸模量、大絲束碳纖維為主，預計2025年風電材料市場總規(guī)模將超過1400億元，較2021年翻倍。

鑒于大絲束碳纖維下游風電、光伏、儲氫瓶、體育休閑、電子、汽車船舶等應用領域對其需求推動力不等，且大絲束碳纖維在工業(yè)應用上更具成本優(yōu)勢，大絲束碳纖維在2023年總需求為4.75萬噸，同比增長48.38%。其中風電領域碳纖維需求為3.8萬噸，同比增加61.31%。其中海風貢獻了1.4萬噸需求。預計在2025年我國風電領域碳纖維需求量達到7.82萬噸，復合增長率超過40%。若碳纖維制造成本逐漸降低，碳纖維風電領域需求釋放節(jié)奏將進一步加快。

供給創(chuàng)造需求的動態(tài)平衡有望是未來常態(tài)。若隨著產能提升—規(guī)模效應體現(xiàn)—成本下降，而帶來的價格下降，則下游應用領域的滲透率將會得到提升，未來大絲束碳纖維價格將會呈現(xiàn)：供給增加—價格下降—需求增加—價格上升—供給增加的動態(tài)平衡中，整體價格趨勢將波動式下降。

我國在碳纖維領域的重大突破

性能優(yōu)異的碳纖維，因為制備難、技術壁壘高等特點，逐漸成為全球在材料研究領域展開競賽的目標。特別是由于發(fā)達國家對碳纖維技術進行嚴格的專利保護和全面的技術封鎖，導致新興國家在發(fā)展碳纖維上舉步維艱。我國早在20世紀50年代后期就展開了碳纖維的技術研究，但由于基礎研究落后，碳纖維的產業(yè)發(fā)展一直在低水平徘徊，與國外的差距逐漸拉大。

2000年以后，全球碳纖維供不應求，進口碳纖維非常困難，嚴重影響國防安全。在此關鍵時刻，2001年，83歲的戰(zhàn)略科學家?guī)煵w院士給中共中央寫了《關于加速開發(fā)高性能碳纖維的請示報告》，得到高度重視，對推動我國碳纖維研發(fā)與投入產生了深遠影響。

歷經多年艱苦攻關，如今我國宇航級碳纖維的產品性能已經達到國外同類產品水平。從落后到奮起直追，我國在碳纖維研究的關鍵技術上取得了哪些重大突破？未來在碳纖維應用領域，還有哪些亟待開拓的空間？

我們解決了國產宇航級碳纖維的有無，這是一個很不簡單的事情。到目前為止，中國碳纖維主要的成績體現(xiàn)在以下三個方面。

第一是突破了碳纖維制備的關鍵技術，相繼實現(xiàn)了系列碳纖維（包括T300級、T700級和T800級）的國產化，解決了航天、航空等國防工業(yè)的自主保障問題。

第二是建立了若干個高水平碳纖維和復合材料的研究研制平臺，形成了包括高校、科研院所、大型企業(yè)在內的研發(fā)格局，正在推動碳纖維和復合材料的發(fā)展進入一個新階段，這個新階段可以說是從量變到質變的過程。

第三是在這些工作的基礎上，建立了百噸級的宇航級碳纖維生產線，后續(xù)又相繼開工了工業(yè)級的一些碳纖維生產線，所以國外碳纖維的價格就發(fā)生了很大變化。大概2009年到2014年這5年，T700這種工業(yè)級的碳纖維價格降到了原來的三分之一，宇航級碳纖維價格降到了以前的十分之一。所以自主解決碳纖維的有無，無論是從經濟上，還是從社會效益方面都有很大的貢獻。

2010年后，地方政府的積極性和熱情大漲，民營企業(yè)投資的熱度非常高，所以國內的碳纖維生產線放量建設，最多的時候碳纖維企業(yè)達到了40多家。近兩年這種放量的趨勢正在放緩，在高質量發(fā)展的推動下，現(xiàn)在不再一味追求增加產能。近期我國大型國企正在尋求建立高水平的研發(fā)團隊和研發(fā)平臺，推動產業(yè)的升級和轉型。

未來碳纖維的產業(yè)之路該如何走

在應用方面，現(xiàn)在碳纖維還比較普遍地存在用不起和不會用的問題，很多工業(yè)領域目前還不會用碳纖維?，F(xiàn)階段形成了碳纖維發(fā)展的一個天花板，但是這個天花板不是固定的。目前亟須解決以下幾個問題。

實現(xiàn)物美價廉。要做到價廉，解決貴的問題，首先是降低成本，就是要把生產線的效率提上來，包括工藝裝備的容量，聚合釜的容量，紡絲的幅寬，碳化的幅寬。這中間裝備的設計和研制是非常關鍵的，應該盡快解決單線產能從數(shù)百噸級提高到兩千噸級。

拓寬應用領域。要擴大應用，首先是擴大我國民用航空的應用。未來，中國在20年內需要9000架民用客機，年均大概是450架。如果每架飛機碳纖維平均用量能達到5噸，那么碳纖維的年均需求就可以達到2250噸，這個數(shù)量遠遠超出我國目前軍用、國防、航空碳纖維的用量，可以有力地拉動碳纖維的應用和發(fā)展。

汽車輕量化和綠色低碳化這個發(fā)展潮流不可阻擋，也將為我國碳纖維和復合材料行業(yè)帶來巨大的市場拉動力。據(jù)估計，2025年中國的汽車產量將達到3000萬輛，如果每輛汽車用5公斤碳纖維，這樣碳纖維的總用量也能達到15萬噸，這是碳纖維一定要千方百計突破的一個應用出口。

還有一個很重要的方面，我國碳纖維在體育用品方面的用量，2020年已經達到了1.46萬噸，但是主要是帶料加工，用的主要還是國外的纖維，這是一個很大的市場。因為中國的人口基數(shù)大，同時還能帶動我國健康產業(yè)碳纖維應用，這個市場也能達到數(shù)萬噸的規(guī)模。

加大自主創(chuàng)新。要創(chuàng)新發(fā)展，加快解決高強、高模、高韌這一類碳纖維的自主發(fā)展問題。我們不可能從國外跟蹤甚至引進來解決這個問題，需要做碳纖維和用碳纖維的人一起來解決第三代先進復合材料創(chuàng)新的問題，要搶占科技制高點。

另外，創(chuàng)新發(fā)展還有一個很重要的方向，就是要發(fā)展顛覆性的低成本技術，如果能實現(xiàn)這樣一個目標，就是劃時代的成就。要把碳纖維的價格降到每公斤10美元以下，現(xiàn)在距離這個目標還有比較大的距離。能不能另辟蹊徑？從目前來看有兩個方向。

第一就是變革性的原絲技術，不用現(xiàn)在的聚丙烯腈，用天然纖維（天然廢物的纖維），像木質素，或者用非常容易制造的低成本的有機纖維，甚至還有人提出可以用澳大利亞的羊駝跟其他原材料一起混紡的纖維，這些途徑都值得探索。目前迫切需要變革性的原絲技術，因為原絲的成本在碳纖維成本中占到了50%左右。

第二就是要發(fā)展變革性的碳化技術，碳化的成本也占到了碳纖維成本20%以上。現(xiàn)在有一些方向，要做短流程的碳化，用等離子體輔助的碳化這樣一些變革性的碳化技術，碳纖維最終實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應用，進入千家萬戶，要跨過這個門檻。

現(xiàn)在來看，世界上無論從碳纖維本身，還是從碳纖維的應用，仍然存在巨大的未知和沒有開拓的空間。隨著科技和工業(yè)革命的深入發(fā)展，碳纖維必將大展宏圖，既能夠幫助我們遨游太空，也將走入千家萬戶，真正成為第四次工業(yè)革命重要的助推力量。作者：李仲平院士、方鯤老師、劉康老師

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