國產(chǎn)碳纖維崛起

李翱

在政策的扶持背景下，通過高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)的共同努力，國內(nèi)碳纖維行業(yè)在技術(shù)上取得重大突破。我國目前已實(shí)現(xiàn)多個系列和級別的碳纖維國產(chǎn)化，解決了高性能碳纖維自主保障問題，成為繼日本、美國之后第三個掌握高性能碳纖維技術(shù)的國家。

2023年8月20日，中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會主持召開技術(shù)鑒定會，國產(chǎn)超高強(qiáng)ZA60XC（T1000級）PAN碳纖維千噸級工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)順利通過了專家委員會的技術(shù)鑒定。專家委員會認(rèn)為：該成果達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中前驅(qū)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表征分析技術(shù)居國際領(lǐng)先，一致同意通過鑒定。

據(jù)悉，國產(chǎn)T1000年產(chǎn)量高達(dá)1700萬噸，部分指標(biāo)優(yōu)于日本東麗產(chǎn)品，產(chǎn)量、質(zhì)量雙雙躋身全球頂尖行列。

被稱為“新材料之王”的碳纖維是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)不可或缺的戰(zhàn)略性新材料。尤其對制造業(yè)而言，它既是需要著重解決的量大面廣的先進(jìn)基礎(chǔ)材料，又是制約發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，上下游產(chǎn)業(yè)鏈對重構(gòu)我國新材料產(chǎn)業(yè)體系極為重要。

“新材料之王”

它的身影常出現(xiàn)在高端體育裝備中，往往助力運(yùn)動員創(chuàng)造新的世界紀(jì)錄；用其制作風(fēng)機(jī)葉片，更輕更堅(jiān)固，會帶來更高的發(fā)電效率和更強(qiáng)的機(jī)組穩(wěn)定性；在航空航天領(lǐng)域，這種纖維甚至向金屬發(fā)起凌厲攻勢，人們常選用它代替金屬，并把這種纖維的用量作為衡量一個國家航空航天裝備水平的重要標(biāo)志。

它就是赫赫有名的碳纖維。

小到球拍、釣魚竿等民用產(chǎn)品，大到飛機(jī)、衛(wèi)星和導(dǎo)彈等高精尖設(shè)備，都是碳纖維大展身手的領(lǐng)域。

碳纖維是由聚丙烯腈（PAN）（或?yàn)r青、粘膠）等有機(jī)母體纖維采用高溫分解法在1000攝氏度以上高溫的惰性氣體下裂解碳化（其結(jié)果是去除除碳以外絕大多數(shù)元素）形成碳主鏈機(jī)構(gòu)制成的機(jī)纖維。這是一種含碳量在?90%以上的無機(jī)高分子纖維。

碳纖維有多神奇？

在山東大學(xué)高分子材料研究所所長、碳纖維資深專家朱波看來，碳纖維是一種有“天資”的材料：“大家都說21世紀(jì)是碳的時代，碳纖維首當(dāng)其任。在某種意義上，碳纖維將是第四次工業(yè)革命的重要支撐材料之一。在即將到來的星際航行、清潔能源和人工智能時代，碳纖維和碳纖維復(fù)合材料將發(fā)揮越來越重要的作用。”

用“細(xì)如發(fā)絲，輕如鴻毛，強(qiáng)如鋼鐵，貴如黃金”來形容碳纖維材料毫不為過。

一輛用碳纖維做成的自行車，重量僅5公斤，成年人可輕松單手提起；揮動碳纖維羽毛球拍，扣殺擊球，攻勢凌厲；碳纖維釣魚竿，彈性好、不易折斷。生活中碳纖維產(chǎn)品越來越多。

碳纖維兼具碳材料的高強(qiáng)度和纖維紡織材料的柔軟可加工性。一束手指粗的高強(qiáng)度碳纖維可以拉動飛機(jī)，碳纖維還可以編織成纖維布，根據(jù)需要編織裁剪成特定形狀，經(jīng)樹脂固化變成比高強(qiáng)鋼強(qiáng)度更高的材料。因?yàn)閾碛卸喾N優(yōu)異特性，碳纖維應(yīng)用廣泛，成為航空航天、電力、交通運(yùn)輸?shù)雀叨搜b備、重大基礎(chǔ)工程、新能源等領(lǐng)域重要支撐性材料。

奮起直追?從無到有

外表纖細(xì)、用途廣大的碳纖維，其研發(fā)制備卻異常艱難。

據(jù)朱波介紹，碳纖維裝備技術(shù)集材料學(xué)、化學(xué)、紡織學(xué)、機(jī)械自動化等多個學(xué)科為一體且高度交叉，是極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程。從原輔料的質(zhì)量，到原絲及碳化的各個工序，都蘊(yùn)含有大量的基礎(chǔ)研究、工藝及裝備等“卡脖子”技術(shù)。僅以制備為例，其流程就包括上百個細(xì)分工序，涉及2000多個控制參數(shù)，每個控制點(diǎn)的參數(shù)變化都可能引起連鎖反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動，甚至功虧一簣。

原絲質(zhì)量決定碳纖維性能。朱波說，碳纖維的性能嚴(yán)重依賴于原絲的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)及原子序列規(guī)整性，如果原絲的分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)存在缺陷，會對碳纖維的質(zhì)量和性能影響巨大。

更嚴(yán)苛的是，要保證原絲性能穩(wěn)定，需要確保每一根絲質(zhì)量過關(guān)。“以一束標(biāo)準(zhǔn)12K的碳纖維為例，其12000根絲都得質(zhì)量可靠。只有不斷摸索、不斷試驗(yàn)，才能找出相對科學(xué)合理的工藝組合。沒有千錘百煉的功夫，做不出高性能碳纖維。”朱波說。

攻克核心技術(shù)，沒有竅門和近路。面對國外技術(shù)封鎖，為摘下碳纖維這顆“材料皇冠上的明珠”，我國科研人員經(jīng)歷了艱難的研發(fā)歷程。

中國的碳纖維產(chǎn)業(yè)研究可以追溯到20世紀(jì)60年代。

1962年，中國科學(xué)院長春應(yīng)化所研究員李仍元和沈陽金屬所研究員張名大開始協(xié)作碳纖維研制。1972年，化工部吉林化工研究院采用硝酸法研制PAN原絲，建成了一條年產(chǎn)3噸原絲的裝置。

1976年，中國科學(xué)院煤化所建成中國第一條擴(kuò)大試驗(yàn)的PAN基碳纖維原絲生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能接近日本東麗的T200水平，國內(nèi)稱為高強(qiáng)I型碳纖維。

1975年11月，在北京召開第一次全國碳纖維會議（“7511會議”）上，首次把碳纖維的研發(fā)提升到國家層面。也是從這以后，我國碳纖維的研發(fā)從過去各部門分散無序的狀態(tài)，轉(zhuǎn)入有計(jì)劃、有目標(biāo)的研究發(fā)展。

1978年之后，國家科學(xué)技術(shù)委員會將碳纖維的研發(fā)視為重中之重。國家長期提供專項(xiàng)資金，支持國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)力量最強(qiáng)的吉林化工廠和吉林碳素廠等對相關(guān)工藝進(jìn)行攻關(guān)。

但當(dāng)時美日兩國的碳纖維技術(shù)已趨于成熟，他們都有意地對中國封鎖了碳纖維資料，這導(dǎo)致我國的碳纖維研發(fā)，可謂是從零出發(fā)。

而且，美日兩國作為先驅(qū)者，已經(jīng)掌握了大量的碳纖維專利，這讓我國在摸索時，還要因?qū)＠麊栴}，不得不選擇“繞彎路”，極大地阻礙了技術(shù)突破進(jìn)程。

直到2000年，碳纖維的產(chǎn)業(yè)化仍未實(shí)現(xiàn)，并且由于國內(nèi)對碳纖維制備技術(shù)的久攻不下，各個研究單位逐漸開始出現(xiàn)信心不足的問題。各路研發(fā)人員對“碳纖維”三個字都避而遠(yuǎn)之，此時正是碳纖維材料國產(chǎn)化研發(fā)最困難的低谷時期。

在此背景之下，戰(zhàn)略科學(xué)家、兩院院士師昌緒于2000年?duì)款^探討碳纖維產(chǎn)業(yè)化問題。

2000年，已經(jīng)研發(fā)了接近40年的碳纖維國產(chǎn)代替項(xiàng)目成了一塊心病，困擾著已經(jīng)80歲高齡的師昌緒。

師昌緒曾說過這樣一句話：“我們的國防太需要碳纖維了，不能只靠進(jìn)口，如果碳纖維搞不上去，國防航空就被卡了脖子，拖了中國國防的后腿，我死不瞑目。”

2001年年初，師昌緒向黨中央發(fā)送了“關(guān)于加速開發(fā)高性能碳纖維的請示報告”。2001年10月，國家科技部決定設(shè)立碳纖維關(guān)鍵技術(shù)專項(xiàng)，代號304專項(xiàng)。自此，中國正式進(jìn)入了碳纖維自主研發(fā)的快車道……

2002年，吉林石化公司和長春工業(yè)大學(xué)承擔(dān)了吉林省重點(diǎn)高技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目“T300碳纖維及原絲的穩(wěn)定生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)”研究任務(wù)。

2004年，通過不斷地自主技術(shù)研發(fā)，我國科技人員一舉突破T300碳纖維及原絲的穩(wěn)定生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，并在吉林石化公司建成國內(nèi)唯一的可滿足軍工需要的年產(chǎn)10噸小絲束聚丙烯腈（PAN）原絲中試裝置，實(shí)現(xiàn)了PAN原絲的小規(guī)模連續(xù)穩(wěn)定性生產(chǎn)。

2005年，光威復(fù)材（光威集團(tuán)旗下威海光威復(fù)合材料股份有限公司）研制的CCF-1級（相當(dāng)于日本東麗的T300級碳纖維）碳纖維通過國家“863計(jì)劃”碳纖維專項(xiàng)驗(yàn)收，標(biāo)志著我國摸索出一條成功的技術(shù)路線，首次擁有了自己的產(chǎn)業(yè)化碳纖維。

此后，國產(chǎn)化的碳纖維一路猛進(jìn)、放量建設(shè)，謀求“從無到有”后“從小到大”的躍升。

自主研發(fā)大絲束碳纖維成功投產(chǎn)

2022年10月10日，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線，在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車，并生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，產(chǎn)品性能媲美國外同級別產(chǎn)品，質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平。

這標(biāo)志著中國石化大絲束碳纖維從關(guān)鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化成功走向規(guī)模化和關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化，一舉破除我國碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動局面，真正實(shí)現(xiàn)自主可控。

從概念上理解，大絲束碳纖維通常指每束碳纖維根數(shù)大于4.8萬根（簡稱“48K”）。據(jù)中信建投相應(yīng)報告顯示，一般48K及以上被稱為大絲束（1K表示一束碳纖維絲中含有1000根原絲）碳纖維，主要應(yīng)用于以風(fēng)電為代表的工業(yè)領(lǐng)域。對比之下，大絲束碳纖維比小絲束碳纖維更具有生產(chǎn)原料廣、性價比高的優(yōu)勢。

長期以來，中國的碳纖維發(fā)展主要是在小絲束碳纖維方面實(shí)現(xiàn)了突破，但是由于小絲束碳纖維成本高，對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)范圍有局限性，影響了下游企業(yè)應(yīng)用碳纖維的積極性。因此，如何培育、扶植國內(nèi)大絲束碳纖維技術(shù)，激發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈中下游積極性，成為了這一領(lǐng)域近年來的一道難題。

大絲束碳纖維研發(fā)難在哪兒？

上海石化相關(guān)技術(shù)負(fù)責(zé)人介紹，主要難點(diǎn)包括大絲束碳纖維制備過程中氧化反應(yīng)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(chǎn)線連續(xù)運(yùn)行周期和穩(wěn)定性。

盡管科研人員做了許多工作并積累了大量科研成果，但由于國外對碳纖維實(shí)施嚴(yán)格的專利保護(hù)和全面的技術(shù)封鎖，我國企業(yè)的碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路走得異常艱辛。

上海石化副總經(jīng)理黃翔宇介紹，為了在大絲束碳纖維制備中真正用上“中國技術(shù)”，上海石化從裝備到工藝，為大絲束碳纖維量身定制了專用生產(chǎn)線，如根據(jù)大絲束碳纖維的生產(chǎn)要求自行設(shè)計(jì)氧化爐、碳化爐，不僅成功掌握了控制溫度場的關(guān)鍵技術(shù)，還進(jìn)行了節(jié)能型設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)能源綜合利用。

數(shù)據(jù)顯示，2021年我國碳纖維市場總需求量大概在6萬噸，國產(chǎn)的供應(yīng)量接近3萬噸，但一些關(guān)鍵的品種、高端產(chǎn)品主要是以進(jìn)口為主。此次中國石化計(jì)劃于2024年全部建成投產(chǎn)，屆時能達(dá)到2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年大絲束碳纖維產(chǎn)能。量產(chǎn)后超過萬噸的規(guī)模，可以很大程度上緩解國內(nèi)用戶對大絲束的需求。

政策助推中國碳纖維發(fā)展

技術(shù)創(chuàng)新助推碳纖維性能提升，國產(chǎn)化替代是行業(yè)不變“旋律”。

事實(shí)上，為了讓我國新材料產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)新的突破，能夠同時擁有大絲束碳纖維和小絲束碳纖維的自主技術(shù)，近年來，國家出臺了一系列關(guān)于碳纖維及碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)支持政策，持續(xù)引導(dǎo)碳纖維材料的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)升級、產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目落地和應(yīng)用領(lǐng)域拓展，推動碳纖維行業(yè)蓬勃發(fā)展。

工業(yè)和信息化部于2019年發(fā)布《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2019年版）》，將高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模型碳纖維等列為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，為碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的提升和產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)提供了必要保障。

2020年，國家發(fā)展改革委、科技部、工業(yè)和信息化部、財(cái)政部4部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長點(diǎn)增長極的指導(dǎo)意見》，提出聚焦重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)投資領(lǐng)域，圍繞保障大飛機(jī)等重點(diǎn)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定，加快在高性能纖維材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，為碳纖維等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、發(fā)揮重要引擎作用提供了政策支持。

“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出要加強(qiáng)碳纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用，為未來碳纖維行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了良好的政策環(huán)境。

2022年，工業(yè)和信息化部與國家發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于化纖工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出要提高碳纖維等高性能纖維的生產(chǎn)應(yīng)用水平，進(jìn)一步擴(kuò)大了碳纖維在航空航天、風(fēng)力和光伏發(fā)電、海洋工程、環(huán)境保護(hù)、安全防護(hù)、土工建筑、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域的應(yīng)用。

而國內(nèi)大大小小的相關(guān)領(lǐng)域企業(yè)一直都在探索。

例如，中國石化聯(lián)合10余家高校、科研院所、企業(yè)，經(jīng)過10余年努力，自主研發(fā)生產(chǎn)出了大絲束碳纖維，含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料。

深圳大學(xué)和長盛科技合作，經(jīng)過兩年多的科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)，在1700噸/年產(chǎn)線上穩(wěn)定生產(chǎn)出T1000級產(chǎn)品。

在政策的扶持背景下，通過高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)的共同努力，國內(nèi)碳纖維行業(yè)在技術(shù)上取得重大突破。我國目前已實(shí)現(xiàn)多個系列和級別的碳纖維國產(chǎn)化，解決了高性能碳纖維自主保障問題，成為繼日本、美國之后第三個掌握高性能碳纖維技術(shù)的國家。

北京化工大學(xué)教授徐樑華表示，近年來，我國碳纖維行業(yè)的發(fā)展形勢非常好，目前已形成黏膠基、瀝青基、聚丙烯腈基3種類別的制備體系；以二甲基亞砜法為主，二甲基乙酰胺法和硫氰酸鈉法共同參與的原絲制備技術(shù)體系；濕法紡絲、干濕法紡絲、小絲束與大絲束工藝齊頭并進(jìn)的工藝體系；高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模、高強(qiáng)高模齊全的產(chǎn)品體系。

碳纖維不僅有固體的特性，還有紡織纖維的柔軟可加工性，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。近幾年由于國內(nèi)技術(shù)突破，刺激了對碳纖維的使用。

在“雙碳”政策下，我國風(fēng)電、光伏、氫能、新能源汽車等行業(yè)高速發(fā)展，帶動風(fēng)電葉片、碳/碳復(fù)合材料、壓力容器、汽車等領(lǐng)域的碳纖維需求快速提升。同時，碳纖維作為軍民兩用戰(zhàn)略物資，在航空航天、體育休閑、建筑等領(lǐng)域的需求也在持續(xù)增長。

未來，國產(chǎn)碳纖維在航空航天、壓力容器、碳/碳復(fù)合材料等高附加值領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和持續(xù)創(chuàng)新能力的企業(yè)將在競爭中占得先機(jī)。