隨著航天、航空以及新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，亟需輕量化材料的替代，而碳纖維成了不二的新選擇，是國家急需發(fā)展和戰(zhàn)略儲(chǔ)備材料之一，但是高端碳纖維材料一直被美國、日本壟斷，我國從20世紀(jì)60年代才開始研究，起步晚、基礎(chǔ)差，一直飽受碳纖維復(fù)合材料短缺之痛。

以美國為主導(dǎo)的《瓦森納協(xié)定》，將一系列視為競爭對(duì)手的國家和敏感技術(shù)，列入了禁運(yùn)清單。根據(jù)禁運(yùn)規(guī)定，美國將抓捕任何企圖購買和販賣這種產(chǎn)品的個(gè)人，哪怕只是用來生產(chǎn)釣魚竿、自行車和減震設(shè)備。如果全采用這種材料打造，那絕對(duì)要成為商品最大的賣點(diǎn)，售價(jià)也會(huì)再添幾個(gè)零，這種材料就是碳纖維。

但是這個(gè)情況，不斷的被改變，就在國內(nèi)廠商突破T1000技術(shù)，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)不久，單線年產(chǎn)3000噸的綜合型生產(chǎn)基地也即將在青海西寧開工建設(shè)，中國正在從碳纖維的“第三極”向兩極追趕。過去幾十年，我國碳纖維都需要進(jìn)口，最早價(jià)格堪比黃金，經(jīng)過努力，現(xiàn)在碳纖維開始白菜價(jià)。

碳纖維到底有何神奇，為什么這樣難制造？

碳纖維的密度是鋼的四分之一，剛性卻是鋼的10倍。此外，還具有耐腐蝕、耐高溫等特性，其可以經(jīng)受強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的腐蝕，耐腐蝕性超過鉑金，在非氧化氣氛下3000度都不會(huì)融化或者軟化。

無論是飛機(jī)、火箭、新能源汽車，還是風(fēng)力發(fā)電的葉片，用上碳纖維顯著降低自重，并且增強(qiáng)了剛性，可以說誰掌握了先進(jìn)的碳纖維復(fù)核材料，誰就掌握了先進(jìn)裝備的密碼。

碳纖維是一種含碳量在 90%以上的無機(jī)高分子纖維，其主要是由聚丙烯腈纖維等進(jìn)行烘烤，去除碳以外的元素而制成，其擁有優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。

之前，日本東麗生產(chǎn)了全球近9成的碳纖維原材料（聚丙烯腈系碳纖維），在全球市場中日本東麗、帝人、三菱化學(xué)排在前三名，而實(shí)現(xiàn)T1000級(jí)和T1100級(jí)的只有日本東麗和美國赫克塞爾。

那么究竟碳纖維為何這樣難造，我們?cè)趺床拍軐?shí)現(xiàn)突破呢？

愛迪生在1880年發(fā)明燈泡的過程中，首次采用綿、麻、竹等天然植物纖維炭化后得到了碳纖維，1909年，將碳纖維在惰性氣體中加熱到2300℃以上后，獲得了最早的石墨纖維，此后發(fā)現(xiàn)鎢絲更加適合，碳纖維研發(fā)停滯，1950年-1970年美國和日本聯(lián)合丙烯腈基碳纖維霸占了全球技術(shù)和市場。

碳纖維的制造其實(shí)就是將纖維碳化、石墨化的過程，炭化就是有機(jī)纖維在高溫下裂解，逸出氫、氧、氮等小分子，最后留下碳元素的這么一個(gè)過程。這是一個(gè)碳元素占比增加的一個(gè)過程，有文獻(xiàn)把碳元素占比增加到92%后才稱為碳纖維。

石墨化就是碳材料內(nèi)部碳原子在高溫下進(jìn)行重新排列，慢慢趨向于完美六元網(wǎng)格的一個(gè)過程。在碳纖維內(nèi)部就是原先比較雜亂的碳原子排列次序慢慢趨向于規(guī)整排列的亂層石墨結(jié)構(gòu)的過程

碳纖維制造難在2個(gè)方面：

1、碳纖維原絲生產(chǎn)十分困難

雖然碳纖維主要是由碳原子組成，但是我們不能使用碳原子直接合成碳纖維，而是通過含碳的纖維進(jìn)行碳化來制造，經(jīng)過大量的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)積累，人們發(fā)現(xiàn)這三個(gè)高分子材料適合用來碳化：纖維素（Rayon）、聚丙烯腈（PAN）、瀝青（pitch），其中聚丙烯腈原絲所制得的碳纖維性能最好。

但是聚丙烯腈原絲卻很難制造，否則美國赫克塞爾也不會(huì)和日本東麗合作，交換技術(shù)和材料，正是因?yàn)闁|麗掌握了聚丙烯腈制造技術(shù)，才使得它一家獨(dú)大。

聚丙烯腈是粉末狀，需要用溶劑融合，然后經(jīng)過拉絲、水洗形成原絲，但是如果原絲密度、強(qiáng)度等不均勻，是制造不了碳纖維的。一般來說碳纖維直徑只有5-10微米，是誘發(fā)的10分之一，這好比拉面師傅必須拉出比頭發(fā)還細(xì)5倍的面條，并且還需要均勻度特別好，這就對(duì)師傅的和面、拉面提出了很高的要求，沒有十年八年很難成就。

2、碳纖維制造工藝和加工十分困難

原絲經(jīng)過加熱，添加增強(qiáng)材料，然后在高溫下逐漸實(shí)現(xiàn)碳化和石墨化，最終產(chǎn)出碳纖維，這個(gè)過程對(duì)于溫度控制，增強(qiáng)材料配比，以及其他拉伸過程都有嚴(yán)格的工藝要求，而這些信息被視為高度商業(yè)秘密，只能自己摸索前進(jìn)。

可以說，碳纖維制造需要化工、機(jī)械、電子、生物等相關(guān)學(xué)科的支持，更重要的是面對(duì)外部市場沖擊，國內(nèi)企業(yè)投入大，見效慢，很難在短時(shí)間內(nèi)取得突破。

“中國材料之父”師昌緒，帶領(lǐng)國產(chǎn)碳纖維突破重圍

我國開始研究碳纖維制造是從1960之后開始的，也將重點(diǎn)放在聚丙烯腈基碳纖維上，到20世紀(jì)70年代，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室連續(xù)工藝化生產(chǎn)。直到1975年，在張愛萍將軍的部署下，聯(lián)合20多家研究所和企業(yè)共同攻關(guān)，終于解決了有無的問題。

但是，這些產(chǎn)品還有一些瑕疵，例如力學(xué)性能不如國外同類產(chǎn)品，成本偏高等。

接下來幾年，國家累積投入2600多萬元進(jìn)行碳纖維的研發(fā)，一定程度上滿足了我國相關(guān)領(lǐng)域的需求，但隨著與國外產(chǎn)品的差距越來越大，無論在性能上還是價(jià)格上逐漸失去優(yōu)勢(shì)。

正是如此，那個(gè)時(shí)代對(duì)“洋技術(shù)、洋產(chǎn)品”的無限崇拜，很多實(shí)力需求單位把目光瞄準(zhǔn)了國外，“造不如買”得思想逐漸成了潮流，甚至有些單位公開承諾，對(duì)引進(jìn)國外技術(shù)給予資金獎(jiǎng)勵(lì)。

當(dāng)我們航天、航空等事業(yè)發(fā)展起來，正準(zhǔn)備使用新材料突飛猛進(jìn)時(shí)，西方開始了貿(mào)易限制，技術(shù)、產(chǎn)品、設(shè)備都被囊括在內(nèi)。

有些單位雖然引進(jìn)了設(shè)備，但是卻交了巨額的學(xué)費(fèi)，例如1984-1985年，吉林和北京2家單位與英國RK公司合作，引進(jìn)了大絲束預(yù)氧化爐和碳化爐，總共花了900萬美元。但到了1990年，碳化爐子還開不起來。

北京這家的項(xiàng)目更是歷經(jīng)磨難，委托英國RK公司加工一套10t級(jí)別的生產(chǎn)線，可是幾次因?yàn)椤翱赡苡糜谲娛隆彪U(xiǎn)遭封殺。原計(jì)劃3年完成的項(xiàng)目硬是拖了7年，到1993年才勉強(qiáng)“驗(yàn)收”，實(shí)際產(chǎn)線還是沒能運(yùn)轉(zhuǎn)。

回顧這些，可以看出來西方已經(jīng)形成的固定的套路：“你研發(fā)出成果，我就降價(jià)銷售；你不研發(fā)，我就高價(jià)銷售；你大規(guī)模發(fā)展，我們進(jìn)行高端封殺，在封殺階段時(shí)不時(shí)布下一點(diǎn)坑，讓你去跳?！?/p>

雖然投入很多，但是我們不得不面對(duì)一個(gè)事實(shí)：碳纖維技術(shù)沒有更本性的突破，相關(guān)產(chǎn)業(yè)沒有建立起來，一連串的失敗案例，讓產(chǎn)業(yè)蒙上了陰影，嚴(yán)重挫敗了行業(yè)信心，此后10年幾乎很少有人敢去觸碰。

看到這種情況，80歲的“中國材料之父”師昌緒對(duì)李克?。?978年后先后在國家科委、國防科工委從事新材料科技管理，較長時(shí)間分管碳纖維研制工作。）說："找?guī)讉€(gè)熟悉情況的人，認(rèn)真研究過去碳纖維搞不上去的原因和今后應(yīng)該怎樣去做?！彼f碳纖維上不去，他將死不瞑目。

師老說，碳纖維的發(fā)展關(guān)乎國防工業(yè)和國防安全，一定要發(fā)展起來。自己年齡大了，別的事情可以不管，但是想抓一抓碳纖維的事情。以如此高齡為國家科技做貢獻(xiàn)，更何況是去接觸一個(gè)自己不熟悉的領(lǐng)域，師老的魄力讓我們敬佩。

師老的意見得到了相關(guān)部門的高度重視，在“863”新材料領(lǐng)域成立了“聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展對(duì)策研究”軟課題組，師老擔(dān)任組長。2001年1月，師先生給中央寫了 “關(guān)于加速開發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告” ，對(duì)以后的經(jīng)費(fèi)落實(shí)起到了決定性影響。

2001年師先生親自對(duì)碳纖維做了許多調(diào)查研究。 2001年9月25日科技部高新司在京召開 “PAN高性能碳纖維研制與開發(fā)戰(zhàn)略研討會(huì)” ，師老全程參加2天會(huì)議……

終于，在“十五”期間在科技部設(shè)立專題研究計(jì)劃，師昌緒帶領(lǐng)年輕的科技工作者親臨國企和民企調(diào)查、咨詢和親自指導(dǎo)，使中國碳纖維經(jīng)過10 余年時(shí)間發(fā)展起來，在性能、質(zhì)量和規(guī)模上已基本滿足重要領(lǐng)域需求，發(fā)展形勢(shì)喜人。

碳纖維技術(shù)重點(diǎn)突破，產(chǎn)業(yè)企業(yè)蓬勃發(fā)展

經(jīng)過師昌緒的倡導(dǎo)，我國加大了碳纖維的投資力度，成立了國家攻關(guān)隊(duì)伍，遵循師昌緒先生提出的”集中優(yōu)勢(shì)力量，打破門戶之別，建立競爭機(jī)制“的方針。談選為技術(shù)得到巨大的突破。

2004年，80多歲高齡的師昌緒在得知光威在國內(nèi)率先生產(chǎn)出碳纖維后，激動(dòng)地來到威?，F(xiàn)場調(diào)研，在這國內(nèi)第一家從事碳纖維研發(fā)生產(chǎn)的 “民營企業(yè)”，師昌緒感慨萬千，當(dāng)場題下的“民族之光”四個(gè)金光燦燦的大字。

經(jīng)過近20年的發(fā)展，中國碳纖維產(chǎn)能和技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，到2019年已經(jīng)突破了2萬噸。

國內(nèi)諸如光威復(fù)材、中復(fù)神鷹、中簡科技等企業(yè)不斷占領(lǐng)高端市場。2018年我國碳纖維技術(shù)取得突破性進(jìn)展，成功實(shí)現(xiàn)從12K小絲束到48K大絲束的飛躍，初步達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2017年，天順化工規(guī)?；a(chǎn)的T800級(jí)碳纖維成本僅為350元/公斤，是國際市場的三分之一。

2021年1月4日，中國石化上海石化“1.2萬噸/年 48K大絲束碳纖維”項(xiàng)目正式開工建設(shè)，投資35億元，計(jì)劃至2024年全部完成。

2021年5月18日，威海光威復(fù)合材料股份有限公司向航空工業(yè)一飛院等，交付首架份TP500無人運(yùn)輸機(jī)后機(jī)身及尾翼。

從技術(shù)上來說，我國已經(jīng)攻克了T300，T700，T800，T1000等高強(qiáng)度碳纖維，也攻克了M40J和M55J高模量航天碳纖維，算上其他攻克難關(guān)的，中國企業(yè)有很很多，都在不同層面實(shí)現(xiàn)了突破。

值得一提的是：2017年全球最大碳纖維復(fù)合材料制造商日本東麗(Toray)被爆出了持續(xù)8年的“造假丑聞”，涉嫌于2008年至2016年7月期間產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)造假。而東麗公司相關(guān)負(fù)責(zé)人也證實(shí)，涉嫌造假的部分問題產(chǎn)品也流入了中國市場。

2021年東麗的統(tǒng)計(jì)顯示，碳纖維的全球需求2020年為8.1萬噸，預(yù)計(jì)2021年為9.3萬噸，正準(zhǔn)備漲價(jià)2成的時(shí)候，國內(nèi)的年產(chǎn)1.1萬噸產(chǎn)線已經(jīng)準(zhǔn)備投產(chǎn)運(yùn)行。

不知道，日本東麗慌不慌？

2021年9月，青海西寧，中國首個(gè)碳纖維萬噸生產(chǎn)基地即將投產(chǎn)，據(jù)悉該項(xiàng)目總投資達(dá)50億元，總產(chǎn)能可達(dá)2.5萬噸，全部投產(chǎn)后能滿足國內(nèi)至少三分之一的需求。未來品主要用于大飛機(jī)機(jī)身、航空航天、風(fēng)力發(fā)電、光伏新能源等領(lǐng)域的高性能碳纖維。

總結(jié)：

每一個(gè)產(chǎn)品和技術(shù)都經(jīng)歷過從無到有，從落后到先進(jìn)的過程，這往往需要我們幾代人的努力，只有扎實(shí)做好人才培養(yǎng)，才有可能出現(xiàn)原始創(chuàng)新。

目前，我國的碳纖維極其復(fù)合材料已經(jīng)進(jìn)入了新的階段，一些企業(yè)已經(jīng)可以提供產(chǎn)能相當(dāng)?shù)母叨水a(chǎn)品，從性能、質(zhì)量和規(guī)模上雖與某些發(fā)達(dá)國家有差距，但是差距越來越小，有望快速超越。

另外，碳纖維復(fù)核材料逐漸從航天、航空領(lǐng)域轉(zhuǎn)向日常民用領(lǐng)域，隨著市場需求的不斷擴(kuò)大，其市場和生產(chǎn)規(guī)模將不斷擴(kuò)大，我國也成功實(shí)現(xiàn)了將碳纖維從“黃金價(jià)”到“白菜價(jià)”的轉(zhuǎn)變。