輕量材料之王

編者按：科技如同一個神奇的魔法師，在各個領域施展著它的魔法，改變了我們的生活。本欄目介紹《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中科技領域取得的成果，包括但不限于工業制造、能源能化、生物醫學等方面，向青少年讀者展示我國近些年來取得的科技成就，激發青少年的科學熱情。

碳纖維，是指含碳量90%以上的高強度、高模量纖維，被譽為“輕量化材料之王”。

1879年，愛迪生在為燈泡選擇最合適的燈芯時，制備出了碳纖維，然而囿于當時的科技水平，碳纖維無法大規模生產。直到20世紀60年代，日本發明家近藤昭男以聚丙烯腈為原料制取了碳纖維，燈芯才得到大規模發展。

2021年，我國發布《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，其中明確加強碳纖維等高性能復合材料的研發應用，深入實施制造強國的戰略。

為何碳纖維成了國家制造業的重點研究方向呢？因為它可能改變世界。

在生活中，碳纖維并不罕見。釣魚愛好者手中的釣魚竿、運動員手中的高爾夫球桿、農業技術員手中的無人機，都用到了碳纖維材料，準確地說是碳纖維復合材料，即一種以碳纖維為增強材料，以樹脂、金屬、陶瓷等為基體材料的高性能復合材料。

碳纖維就像絲線，人們把絲線編織成布，把布匹放在樹脂或者陶瓷等材料中固定，組成各種形狀，有了各種物理特性。它的密度通常為1.5g/cm3，遠小于同體積的玻璃纖維復合材料、結構鋼、鋁合金，它的拉伸強度約為1 548Mpa，遠高于同體積的玻璃纖維復合材料、結構鋼、鋁合金。故而，碳纖維復合材料具有優越的物理性能，耐高溫、耐腐蝕，且質量輕、強度高。

碳纖維有多種分類方式，通常按照原絲類型和絲束規格分類。

按照原絲類型分，碳纖維可分為由聚丙烯腈制成的聚丙烯腈基碳纖維，占市場的90%；由瀝青制成的瀝青基纖維，占市場的8%；由粘膠制成的粘膠基纖維，占市場的1%；由酚醛制成的酚醛基纖維，占市場的1%。

按照絲束規格分，碳纖維可分為大絲束和小絲束。每個碳纖維的生產商都有不同的分類標準，但一般認為24K以下的叫作小絲束，48K以上的叫作大絲束。絲束代表該款碳纖維材料是由多少根纖維制成的，1K代表一束碳纖維中有1 000根絲。

碳纖維復合材料的應用場景廣泛，最大的需求來源于新能源和航空航天。我國自從加入《巴黎協定》后，一直致力于減少碳排放，致力于綠色發電，其中包括了風電。

風電所使用的風機葉片巨大，若是采用玻璃纖維，不僅發電效率不高，而且使用壽命較短。于是大絲束的碳纖維復合材料制成的風機葉片就成為首選。根據2023年的數據，中國風電裝機容量為441 895 Mpa，位居世界第一，比第二名美國到第五名西班牙的裝機容量總和還多，這使得我國對碳纖維復合材料的需求非常旺盛。

在航空航天領域，我國成功建成中國空間站，擁有國產大飛機，組成這些成就的基石之一就是小絲束的碳纖維復合材料。根據測算，用碳纖維制造飛機的結構件，能使飛機的重量減輕30%，目前世界上主流的商用飛機，比如波音787、空客A350，它們機身采用的碳纖維復合材料用量均超過了50%。

可見，碳纖維對我國多領域的發展非常重要。然而，碳纖維的制備難度非常大，它的生產工藝流程長，技術壁壘高。

以聚丙烯腈基碳纖維為例，以丙烯腈為原材料進行聚合反應生成聚丙烯腈，再通過紡絲得到聚丙烯腈原絲，對原絲進行預氧化、碳化、表面處理才能得到碳纖維材料。整個過程持續走絲，需要精確控制參數，每個環節都會影響成品的質量和性能。原絲制備更是碳纖維生產的核心環節，最終決定著碳纖維的產品質量、產量和生產成本。

在2015年之前，碳纖維的核心生產技術掌握在日本、美國等國家手中，日本東麗集團就占了碳纖維產能的20%。隨著我國制造業發展，我國企業開始對標日本、美國等廠家，進行分批研發。目前，我國已經分別建成了大、小絲束碳纖維生產線，突破了千噸級碳纖維原絲干噴濕紡工業化制造技術，打破了發達國家對宇航級碳纖維的技術封鎖，力爭在“十四五”期間，建成高性能的碳纖維復合材料全產業鏈。