「新材料の王」を突破した炭素繊維

?我が國は現在、多數のシリーズとクラスの炭素繊維の國産化を実現し、高性能炭素繊維の自主保障問題を解決し、日本、米國に続いて3番目に高性能炭素繊維技術を掌握した國となった

?國産炭素繊維は國外の技術、裝備、製品の三重封鎖を撃破し、無から有へ、人に支配された背後からの脫卻を実現し、我が國の科學研究力と工業力の長期的蓄積を見ることができ、國を挙げた體制の強大な優位性も観察することができる

?2021年以來、炭素繊維企業は商売が繁盛し、利益が上昇し、しかも資本の愛顧、融資が絶えない。しかし、複數の業界関係者の目には、炭素繊維業界には依然として基礎研究、産業発展の秩序を失う潛在的な危険性が存在している

炭素繊維と36年間付き合ってきた「材料人」として、徐梁華氏は「炭素繊維は『首をつった』新材料リストから初歩的に撤去された」と喜んでいる。

この北京化學工業大學材料科學?工學學院教授、國家炭素繊維工學技術研究センター主任は「展望」ニューズウィークに対し、我が國は現在すでに複數のシリーズとクラスの炭素繊維の國産化を実現し、高性能炭素繊維の自主保障問題を解決し、日本、米國に続いて3番目に高性能炭素繊維技術を掌握した國となった。

「新材料の王」と呼ばれる炭素繊維は、國民経済と國防建設に不可欠な戦略的新材料である。特に製造業にとって、それは重點的に解決する必要がある量的に広い先進的な基礎材料であり、また発展を制約する重要な戦略材料であり、上下流の産業チェーンは我が國の新材料産業體系の再構築に極めて重要である。

國産炭素繊維は國外の技術、裝備、製品の三重封鎖を撃破し、無から有へ、人に制された背後からの脫卻を実現し、我が國の科學研究力と工業力の長期的蓄積を見ることができ、挙國體制の強大な優位性も観察することができる。

炭素繊維の自強進撃の物語は、國が産業安全の自主制御を強調している今日では特に興味深い――工業?情報化部が2018年に全國30社以上の大手企業130種以上の重要基礎材料を調査した結果、32%の重要材料は依然として空白で、52%が輸入に依存していることが分かった。

鉄の靴を踏み破って得た炭素繊維の繁栄は、技術先行の旗をどのように高く翻し続けるのか。炭素繊維を代表とする中國の新材料は、どのようにしてより良い産業革新生態を構築し、將來の産業安全と國際競爭優位を確保するのか。

吉林化學繊維グループ國興炭素繊維會社の生産現場で、労働者が炭素繊維の原糸を整理する（2022年10月31日撮影）顔麟埋蔵

　　炭素繊維「天険」を乗り越える

多くの人のイメージでは、炭素繊維の性能は不思議で高価で、「神壇」上の材料である。

このような炭素含有量が92%を超える繊維材料は、炭素材料の強い引張力と紡績繊維材料の柔軟な加工性を兼ね備え、ポリアクリロニトリル繊維、粘著繊維、アスファルト繊維などの有機繊維が高溫で炭化して得られる。

炭素繊維は髪の毛のように細く、鴻毛のように軽い。その直徑は約5 ~ 7ミクロンで、10本ほど合わせて1本の髪の毛が太い。しかも密度は鋼の1/5、チタンの2/5、アルミニウムの3/5しかなく、軽量特性を持っている。

繊細で軽量な炭素繊維でありながら、鋼鉄のように強い。1束の標準12 K（1 Kは1束の炭素繊維糸中に1000本の原糸を含むことを示す）ポリアクリロニトリル基炭素繊維は、約130 kgの重量に耐えることができる。特に摂氏3000度の無酸素高溫では、他の繊維はとっくに灰になっていたが、炭素繊維は無事だった。

炭素繊維の優れた力學性能に加え、耐食性、抗酸化性、さびないなど多くの他の材料を塵にも及ばない能力を加え、樹脂、金屬、セラミックス、コンクリートなどの材料に補強材料として加えて複合材料を構成することが多く、その名に恥じない次世代補強繊維の王である。

炭素繊維の國內初の市場化応用は1972年に発売された炭素繊維強化樹脂釣り竿である。その後、炭素繊維の応用はハイエンド工業製造と先端科學技術分野に拡大し、現在、航空宇宙、風力発電ブレード、燃料電池、スポーツレジャーなどの広い分野で活躍している。

繊維トウの大きさに応じて分類すると、炭素繊維は小トウ（≦24 K）と大トウ（>24 K）の2種類に分けることができる。小トウ生産技術の制御は難しく、価格が高く、通常は國防軍需産業、航空宇宙分野に用いられる。大糸束の生産コストが低く、性価比が高く、主にクリーンエネルギー、建築工事などの工業用民間分野に用いられる。

山東大學高分子材料研究所所長であり、炭素繊維のベテラン専門家である朱波氏によると、炭素繊維は「素質」のある材料である。「21世紀は炭素の時代であり、炭素繊維は初めてその任に當たると言われている。ある意味で、炭素繊維は第4次産業革命の重要な支持材料の一つになるだろう。間もなく到來する星間航行、クリーンエネルギー、人工知能の時代において、炭素繊維と炭素繊維複合材料はますます重要な役割を果たすだろう」と述べた。

外観が細く、用途が広い炭素繊維であるが、その開発?製造は非常に困難である。

朱波氏によると、炭素繊維裝備技術は材料學、化學、紡績學、機械自動化など多くの學科を一體化し、高度に交差し、極めて複雑なシステム工學である。原料添加剤の品質から、原糸及び炭化の各工程に至るまで、大量の基礎研究、技術及び裝備などの「首締め」技術が含まれている。製造だけを例にとると、そのプロセスには100以上の細分化工程が含まれており、2千以上の制御パラメータが含まれており、各制御點のパラメータの変化は連鎖反応を引き起こし、さらに製品の品質の変動を引き起こし、さらには失敗する可能性がある。

原糸の品質は炭素繊維の性能を決定する。朱波氏によると、炭素繊維の性能は原糸のミクロ構造形態と原子配列規則性に大きく依存しており、原糸の分子構造と凝集狀態構造に欠陥があれば、炭素繊維の品質と性能に大きな影響を與える。

さらに厳しいことに、原糸の性能を安定させるには、糸1本1本の品質を確保する必要がある。「1束の標準12 Kの炭素繊維を例にとると、その12000本の糸はすべて品質が信頼できる。試行錯誤し、試行錯誤してこそ、比較的科學的で合理的な技術組み合わせを見つけることができる。鍛え直す手間がなく、高性能炭素繊維は作れない」とジュボ氏は言う。

難しい製造技術は、炭素繊維を材料學者の前に橫たわる「天険」にする。関連技術を獨占する日米両國は、炭素繊維に対して厳格な特許保護と包括的な技術封鎖を実施している。「通知的な値上げ、賜物的な供給」は、當時の國際炭素繊維市場の姿だ。

中國は日米の炭素繊維技術、裝備、製品の3つの封鎖の下で、世界の炭素繊維の構造を変えた--2005年、光威復材（光威集団傘下の威海光威複合材料株式會社、以下光威）が開発したCCF-1級（日本東レのT 300級炭素繊維、T高強度型炭素繊維を指し、後の數字が高いほど強度が良いことを示している）炭素繊維は國家「863計畫」炭素繊維特別検査を通じて、我が國が成功した技術路線を模索し、初めて自分の産業化炭素繊維を持ったことを示している。

その後、國産化された炭素繊維は猛進し、放量建設を進め、「無から有へ」後の「小から大へ」の躍進を図った。広州賽奧が発表した「2021世界炭素繊維複合材料市場報告」によると、2021年の國內炭素繊維の稼働生産能力は6.34萬トンで、世界総生産能力の20.76萬トンの30.5%を占めている。同時に、我が國は初めて米國を超えて世界最大の炭素繊維生産能力國となった。

中國はすでに世界の炭素繊維版図の第3極となっている。

　　科學研究に力を與え、実験室の重要技術を突破する

これまで、我が國の炭素繊維研究は無名を理由に、長い間さまよってきた。

徐梁華氏は國內の炭素繊維研究の低迷期に炭素繊維に接觸した。「それは1986年で、我が國がPAN基炭素繊維の開発を開始してから十數年が経った」。

PAN基炭素繊維はポリアクリロニトリル炭素繊維とも呼ばれ、炭素繊維の主要品種であり、生産量は炭素繊維総量の90%以上を占めている。

徐梁華氏によると、我が國のPAN基炭素繊維の開発は基本的に海外と同期しており、初期の差は大きくなく、底も薄くないと言うべきだが、2000年まで、國內のPAN基炭素繊維の製造技術は依然として長く攻められず、海外との差も広がっている。「炭素繊維の市場需要は非常に差し迫っており、使いたいのに供給できない気まずい狀況にある」。

徐梁華氏は、長期的な徘徊の背後には、科學技術の投入が少ない、ブロック分割の障害がある、技術の蓄積が足りないなど多くの要素があるが、最も重要なのは、材料業界が炭素繊維に対する認知から科學研究までの力が不足しており、國産化の主流技術を見つけることができなかったことだと考えている。「もっと根っこに言えば、基礎研究が足りないということだ」

徐梁華氏は、我が國は前世紀に炭素繊維の基礎研究があるとはほとんど言えなかったと説明した。「企業はもちろん、大學や科學研究院も企業の工事問題の解決に力を入れており、コアな基礎研究に関心が欠けていた。1990年代になると、単純に技術研究に沒頭することに問題があることに気づき、基礎研究、基礎研究に戻り始めた」。

原糸からこのPAN基炭素繊維を製造する技術的な鍵を例に、徐梁華氏によると、當時、國內にはジメチルスルホキシド法の製造技術があったが、構造分野での炭素繊維の製造には役割を果たしていなかった。「これは私たちが技術を十分に理解していないことを示しています。最後に言えば、私たちが基礎研究に力を入れていることが足りない、蓄積が足りない、功力が足りないということです」

徐梁華はチームを率いて向きを変えて基礎研究を狙った。「私たちはおよそ2、3年の基礎研究を行い、炭素繊維を高分子材料と見なし、基礎的な科學問題に回帰し、高分子材料の客観的法則に従い、複雑な問題を単純化した。それ以來、私たちは正しい方向を探し、急速に発展してきた」と徐梁華氏は述べた。

2000年、徐梁華チームは國內のPAN基炭素繊維原糸技術の主流技術であるジメチルスルホキシド法の新技術を突破することに成功した。「我々が実験室の段階で突破したこの技術は、プロセスが多少粗雑であるにもかかわらず、構造材料用國産高性能炭素繊維の『有無』問題を解決するために技術的基礎を築いた」。

　　メカニズムが助力し、エンジニアリング化された「死の谷」を出る

基礎研究が暗い時間になった後、炭素繊維の工學化研究が日程を上げた。

科學研究革新チェーンにおいて、科學技術成果は実験室から産業化までの間に重要な工程化の一環があり、実験室を貫通する技術が試験品を獲得し、量産できるかどうかなどの問題の解決に力を入れている。

その中で、「死の谷」と呼ばれる中間試験は工事化のカギとなる。「業界では1：10：100という言葉があります。つまり、科學研究段階で1つの問題を解決すれば、中間試験段階で10の問題を解決し、工業化段階で100の問題を解決しなければならないということです」と朱波氏は言います。

彼は、科學研究では、技術的な難題や理論的な導きを解決すれば、突破とも重大な突破とも言えるが、中間試験には些細な技術問題が1つ1つ解決しなければならないことが多く、少しでも油斷すれば中途半端になる可能性があると説明した。「この一環では、科學者は前に進めないことが多く、企業家は後ろに退くこともできないことが多い。この段階は非常に苦しく、非常に難しく、しばしば國家政策、資金の助力が必要であり、國家プラットフォームの支持は極めて重要である」。

炭素繊維のエンジニアリング化の困難な経路を打開することは、國の「863計畫」などの支持を得ることにつながる。

2001年、當時83歳の戦略科學者で両院院院士の昌緒氏は、上書黨中央がこれを國の「863」特別項目に指定し、炭素繊維の発展を指導することを推進した。

2002年、國家「863計畫」炭素繊維特別プロジェクトが正式にスタートし、1億元の研究開発資金を投入した。その後、國家自然科學基金も炭素繊維に経費支援を行った。「中國の炭素繊維の重要な技術の難関突破はこれによって運動エネルギーを獲得した」と徐梁華氏は述べた。

徐梁華氏は當時、科學技術部が設立した炭素繊維重要技術専門家グループの副チーム長も務めていた。彼の紹介によると、「十五」期間中、國の「863計畫」炭素繊維特定項目の主導の下で、我が國は北京化學工業大學、中國科學院山西石炭化學研究所（以下、中國科學院山西石炭化學所）、山東大學の3つの相対的に集中した研究開発基地を形成し、いくつかの高レベル炭素繊維と複合材料の研究開発プラットフォームを構築した。「炭素繊維の研究開発は大協同の技術體系として研究を開始し、それぞれの自走局面を打破した」。

メカニズムの変化は徐梁華に特に深い印象を與えた。

徐梁華氏によると、2005年の第1弾高性能炭素繊維のエンジニアリング化から、當時の國防科學技術工業委員會（現國家國防科學技術工業局）は技術推進から需要牽引に変わる一貫したプロジェクト管理プロセスを初めて使用した。

これまで材料研究者は研究を行い、多くは研究そのものから出発し、材料を作って、文章を出すことができて、特許があれば仕事を終えることができて、職名を評価して、賞を受賞して、「帽子」を取ることができて、規模化と工事化などのユーザーが気にすることを考慮する必要はありません。需要牽引は異なっており、研究開発者は応用の角度に立って炭素繊維の製造を見る必要があり、研究しなければならない。

「これは研究開発者の思考と理念を深く変えた。炭素繊維の開発生産はあくまでもある分野の応用のためであり、白研究に等しいほど研究されていないからだ。理念が変わると、考え方が大きく変わる。このモデルの模範的な意義は大きく、その後、國內の重要な材料もこのモデルを採用した」と徐梁華氏は述べた。

「863計畫」炭素繊維特定項目は國有、民営などの戸別の見解を捨て、公平な競爭方式で評価ランキングのリード者にプロジェクトを負擔させることは、大きな創始的なやり方である。

炭素繊維分野で有名な民間企業、光威が頭角を現した。

光威復材の盧鈞鈞董事長は記者に、光威はもともと山東威海にある釣り竿生産企業で、師昌緒が提唱したサンプリングブラインド測定法のおかげで、炭素繊維の「ナショナルチーム」に加入したと伝えた。

盧鈞鈞氏によると、サンプリングブラインドテストは後に広く採用された評価方法であり、専門的に構成されたサンプリング専門家グループが現場でサンプリングし、サンプルを統一的に番號付けし、指定された第三者の試験単位に送ってテストしたが、試験単位はサンプルの出所を知らなかった。「この新しい評価モデルによって、光威は優れた製品性能によって、評価順位がリードして『863計畫』炭素繊維特定項目に入選した」。

全國規模のプロジェクト管理戦略の下で、參加病院と企業は密接に協力し、PAN基炭素繊維トン級試験線、百トン級試験線を相次いで突破した。

「これは我が國が國産T 300級炭素繊維の核心技術を突破したことを宣言し、我が國も世界で少數の高性能炭素繊維の工學化の重要技術を掌握する國の一つになった」と盧鈞鈞氏は述べた。

中國は炭素繊維についてようやく議論される資格を備えた。

　　企業の努力、産業化の難局を突破する

次から次へとやってくるのは、國産炭素繊維の生産量を高め、品質を高める重要な戦いである産業化である。

ルテニウム氏によると、2005年に乾いたT 300級炭素繊維を車に例えると、シャリーが最も多く、運転できるが、BMWとは比べ物にならないという。ましてシャリーからBMWまで、中にはフォルクスワーゲンなど多くの車があり、高性能炭素繊維も複數のモデルがある。「より良い製品を作るのは容易ではありません。高性能炭素繊維製品のアップグレードは、重要な技術の難関に觸れず、重要な裝備の突破に觸れないものはありません」。

光威対標東レT 800級炭素繊維のQZ 5526を例にとると、その製造難易度はGQ 3522より大幅に向上した。「技術はともかく、QZ 5526に必要な炭化爐を開発?製造するだけで、光威は億元の資金を投入し、前後3年を費やした」と盧鈞鈞氏は紹介した。

技術的な圧力よりも大きなのは資金的な圧力だ。

當時の「金を燃やす」という話になると、盧鈞鈞は胸がどきどきした。「千トン生産ラインは操業開始1日ごとに百萬以上がなくなり、効果が見られず、金は水の流れのようになった。數千萬の設備は、使えないと言えば使えない、スクラップを売るしかない。光威の創始者である陳光威氏でさえ、企業家の神経を最も試練しているのは、彼が一気にいくら投資したかではなく、彼が巨額の資金を投入し続けた後、産出を見ていないのに、毎日「お金を燃やし続ける」と言っていた」

巨大な資金投入、長いリターンサイクル、光威の資金チェーンをほぼ斷絶させた。「2012年になると、銀行はすでに光威に融資をしようとしなかった。高性能炭素繊維を開発するために、光威は長年の蓄積を費やしただけでなく、すべての漁具生産の工場や設備、さらには注文をすべて擔保にして、資金を融通したこともある」と盧鈞均氏は述べた。

光威の「九死に一生」の炭素繊維の研究開発過程は孤例ではない。中復神鷹の張國良、恒寶株式の銭雲寶などの炭素繊維分野の有名な企業家は、炭素繊維の難関攻略で苦労し、ほとんど家財を使い果たしたことがある。

幸い、國內の工業力の奮発的な努力を経て、我が國はついに工業用炭素繊維の産業基礎を構築し、市場で生存と発展できる企業を形成し、しかも相當な程度で、全面とシステムの國産化を実現し、大部分の技術はすでに自主研究開発と順方向設計の高いレベルに入った。

國際炭素繊維価格が「崩壊」する：2009年から2014年の5年間で、T 700という工業級炭素繊維の価格は従來の1/3に下がり、高性能炭素繊維の価格は以前の1/10に下がる。

中國第一汽車集団有限公司と中國航天科技集団有限公司が共同で自主開発した高強度炭素繊維車體を持つ國産雪車。図は一汽の國産雪車研究開発現場（2022年1月20日撮影）張建摂

　　研究の減速、産業の秩序喪失の二重の懸念

2021年以來、炭素繊維企業は商売が繁盛し、利益が上昇し、資本が愛顧し、融資が絶えない。

しかし、多くの業界関係者の目には、炭素繊維業界には依然として基礎研究、産業発展の秩序を失う潛在的な危険性がある。

我が國はすでに世界最大の炭素繊維生産能力國となっているが、高性能炭素繊維市場では日本の生産量が世界の50%近くを占めている。製品の品質では、我が國はT 700級、T 800級、T 1000級などの高性能製品を生産することができたが、商業化量産はまだ多くない。

これは、我が國の炭素繊維は産業化、規模化に問題はないが、コストと品質の安定において國際業界の大手企業とは依然として差があり、技術、資金、人材に持続的に力を入れ、安定した品質低下を実現する必要があることを意味している。

徐梁華氏は、「國産炭素繊維は相対的にコストが高い。コストが高いのは単なる経済問題ではなく、深層の技術開発が不足している。例えば、生産能力が放出されていない、裝備技術がクリアされていない、糊付け剤の割合が高い、繊維合格率が低いなど。高品質、低コストは合理的な技術手段で実現できる。2030年までに炭素繊維の価格を10ドル/キロにするためには、この目標を達成するには技術的に多くのことが必要だと提案しています」

近年の炭素繊維の「美しい時間」は、一部の企業が日々の奮闘を遅らせている。「多くの企業は10年以上前の製造方法を踏襲しており、技術の高度化への意欲と意識は強くない。さらに言えば、數年前に炭素繊維の商売がそれほどよくなかったとき、企業は多少落ち著いて研究をすることができ、この2年は暮らしやすくなり、技術開発はかえって止まってしまった」と徐梁華氏は言う。

さらに徐梁華氏が心配しているのは、「今でも、私たちの炭素繊維の基礎研究力を合わせると、國際的な技術トップ企業には及ばず、完全な重要技術研究に従事する力も萎縮している」ということだ。

朱波もここ數年の同業者の達人はかえって少なくなったと感じた。彼から見れば、炭素繊維技術の進歩の余地は依然として大きく、「天井」までは遠い。「一方で、炭素繊維を作るにはお金がかかりません。一方で、対人、対チームも選ばなければなりません。特に蓄積と潛在力、チーム構造と人材陣を見て、ローリング式、段階的な審査を行います」。

炭素繊維産業の発展が秩序を失ったことも取材を受けた専門家の注目を集めた。

中國科學院山西石炭化所の研究員で炭素繊維チームの責任者である張壽春氏は記者団に、炭素繊維は現在の熱の下で、いくつかの低レベルの繰り返し建設現象が現れ、業界全體のレベルの向上に不利であると述べた。「國內の炭素繊維企業はコア技術、製品の優位性、産業チェーンの配置、知的財産権の保護などの面でまだ不足しており、將來的には十分な市場競爭態勢に直面し、特に國際一流の炭素繊維企業と競爭する場合、総合的な実力、競爭力の不足が現れる可能性がある」

ルテニウム氏によると、2010年以降、地方政府の炭素繊維への情熱は高く、民間企業の熱も高く、國內の炭素繊維生産ラインの放量建設は、最も多い時には全國に40社以上の炭素繊維企業があった。現在、企業の數は大幅に減少しているが、依然として混雑している。「炭素繊維は戦略的な新材料であり、國家の戦略的配置が必要である」。

徐梁華氏は、中國の炭素繊維にはまだ十分な業界競爭力がないとみている。「炭素繊維とその複合材料の応用分野はすべて西側諸國が設立したものであり、我が國にはまだ原始的な革新的に開拓された応用分野はない。海外にはない、象徴的な炭素繊維の応用市場を開発した時だけ、業界は本當に競爭力があると言える」。

この意味で、複數の取材を受けた専門家は、將來性のあるシステム的な問題を著実に解決することを提案した。「業者は、輸入炭素繊維が滯りなく入ることができれば、企業の既存顧客が流出するのではないかと自問すべきである。私たちの技術はまだ一席を占めているのではないか。産業チェーンの安全は自分の手にかかっているのではないか」。

（注：本文は著者本人の観點のみを代表し、本網とは関係ない）

（文｜『展望』ニューズウィーク記者張冉燃）

（出所：中國化學繊維工業協會）