碳纖維的三次突圍

絲絲束束，鋪就了高端化工產品的未來之路。

攝影/高衛洪

三次突圍使碳纖維發展為炙手可熱的新材料產業，中國的碳纖維產業也在逐步走向高端。

這是一種從實驗室偶然發現的神奇材料：它比鋼強、比鋁輕，直徑僅為頭發絲的1/10——它就是碳纖維。

從翱翔于藍天的飛機到地上跑的汽車、自行車，從體育運動者舞動的球拍到大草原上畫出優美圓圈的風機葉片碳纖維這種神奇的材料正在展現更加“接地氣”的一面，飛入尋常百姓家。

俯瞰這種復合新材料的前世今生，它經歷了三次突圍，最后迎來了產業的大發展。

從燈絲到航空航天部件

回望碳纖維的歷史，可上溯至1845年。美國辛辛那提的斯塔爾提出，可以在真空泡內使用碳絲。在英國，科學家約瑟夫·斯旺按照這一思路，把一條條碳化紙做成燈絲，發現這種黑色纖維在電流作用下進發光明1879年，愛迪生將椴樹內皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等天然纖維定型后進行高溫烘烤，得到了碳纖維。愛迪生發明的“白熾燈泡碳纖維長絲燈絲制造技術”于1892年獲得了美國專利。

愛迪生制得的纖維力學性能較低，在當時也不能工業化，未能獲得大的發展。但是，金子總會閃光。碳纖維這種“工業黃金”也許注定要被寫入材料工業的重要歷史。其發展沒有就此停滯于時間長河，在航空和軍工領域的迫切需求下，它最終打開了工業化的大門。

20世紀50年代，美國聯合碳化物公司開發出了黏膠基碳纖維“Thornel-25”。1959年，日本科學家近藤昭男以聚丙烯腈（PAN）為原料制備碳纖維的突破性技術，將碳纖維的強度提升了4倍，開創了碳纖維工業化的生產路徑。1971年，日本東麗公司建立了年產12噸的碳纖維生產線，開始生產T300（T代表拉伸強度等級，單位為MPa。T后面數字越大，表示拉伸強度越高，力學性能也越優異）。

1973年，石油危機使得飛機迫切需要減重以減少燃料消耗，波音、空客等飛機制造商開始探索碳纖維復材的應用。1982年，波音757和767以及航天飛機開始使用 τ₃₀₀ 碳纖維。

資料顯示，20世紀70年代中期，碳纖維復材在軍機尾翼的垂直尾翼、水平尾翼等部件開始逐步使用，之后在機翼、機身等主要受力構件上使用碳纖維復材。根據《2023全球碳纖維復合材料市場報告》，碳纖維復材在航空航天領域中，商用飛機應用占主要份額，占比達到 36% ；軍用飛機應用占比21% ；無人機應用占比達 18% 0

在航空航天領域的帶動下，始于燈絲這一應用的碳纖維成功破局，迎來了發展史上的第一次突圍。

中國：從無到有到T1000

我國對碳纖維的研究始于20世紀60年代中期。1974年7月，中國科學院山西煤炭化學研究所開始設計我國第一條碳纖維生產線。

國家集中20余家單位組建攻關組，在吉林化纖廠搭建實驗線，第一條能生產百萬分之一米直徑的生產線運轉起來了。當時，這些勉強達到T200級別的初代產品，支撐了我國早期戰略裝備的試制。

由于碳纖維在軍工和航空航天領域的重要性，國外一直對碳纖維出口中國實施限制性政策，2020年還曾經全面禁售，在很長一段時間內卡住了中國國防和航空業的“脖子”。

國際上長期對碳纖維實施技術封鎖和許可證制度，使我國在該領域一度受制于人，國家意識到了這一點。

2001年，碳纖維304專項被納入國家“863計劃”。面對這一材料不能國產化的狀況，主抓材料攻堅的中國科學院院士師昌緒曾說：“我們的國防太需要碳纖維了，不能只靠進口！如果碳纖維搞不上去，國防航空被卡了脖子，拖了中國國防的后腿，我死不瞑目！”

經過幾十年的努力，我國碳纖維已形成產業，技術也不斷推陳出新。2023年，中國石油和化學工業聯合會主持召開技術鑒定會，國產超高強ZA60XC（T1000級）PAN碳纖維千噸級工業生產技術順利通過專家委員會的技術鑒定，達到國際先進水平。

國產碳纖維的每一次巨大的進步，都在書寫歷史。數據顯示，2023年，我國碳纖維的運行產能占全球的近五成、位居第一。如今，中復神鷹、光威復材、吉林化纖、上海石化等企業已成為國內領先的碳纖維生產商，與西格里、東麗、帝人、赫氏等全球知名碳纖維企業同臺競技。

中國碳纖維的入局和發展，形成了全球碳纖維產能和需求的高峰，讓這一新復合材料迎來了發展史上的第二次突圍。

奧運火炬和風機葉片

“自行車用一兩根手指就能抬起來，碳纖維材料真的神了！”在2019年11月舉辦的第二屆中國國際進口博覽會上，品牌館的參觀者們對一款自行車嘖嘖贊嘆。

由上海石化采用國內獨有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝和具有自主知識產權的成套技術生產的碳纖維材料制成的自行車、皮劃艇、齒輪等產品讓這種新材料成功打上了中國制造的標簽。

放眼全球，1971年東麗公司建立12噸碳纖維生產線開始生產T300碳纖維，并于1972年推出第一個商業碳纖維復材產品魚竿后，球拍、儲氫瓶、風機葉片、手機部件碳纖維在非航空航天領域揮灑下了濃墨重彩的大手筆。

在中國石化的決策部署下，上海石化于2008年11月建成中試裝置，2009年3月成功研制出12K原絲，2012年9月建成500噸碳纖維生產線。2018年3月，上海石化成功試制出了國內真正意義上的48K大絲束碳纖維。

研發初期，面對無經驗可循、無先例可鑒的困境，工廠堅持自主開展技術攻關。核心設備氧化爐、碳化爐，外商不提供關鍵的工藝說明書和操作流程圖，大家只能默默跟在安裝人員身后觀察，“盲猜”設備控制邏輯。

十多年來，研發人員黃翔宇、顧文蘭、李鵬、韓煒、張超峰、吳嵩義等一批攻關成員接續努力，“把青絲熬成了白發，將白絲煉成了黑絲”成為對這一研發故事的最佳注解。

近年來，上海石化小絲束、大絲束碳纖維作為新材料，成功應用于冬奧火炬“飛揚”外殼，成為世界首創；應用于廣州高速地鐵列車的車頭罩，成為國內首創；成功應用于35兆帕氫氣瓶纏繞，又是國內首創，彰顯了中國石化在碳纖維領域的擔當和創新精神；上海石化碳纖維增強復合材料生產的連續抽油桿性能優良，可替代進口。

從2007年至今，18年彈指一揮。上海石化大絲束碳纖維乘風破浪，不斷取得新的進展。

近日，上海石化先進材料創新研究院總經理沈偉表示，碳碳復合新材料在K-8300風機葉輪技術風機葉輪領域的應用，成為公司碳纖維深化應用的又一次創舉。

從世界到中國，非航空航天領域的帶動，讓始于燈絲這一應用的碳纖維再次拓展應用領域，迎來了發展史上的第三次突圍。

責任編輯：趙玥zhaoyue6954@126.com