突破“新材料之王”的碳纖維

　　?我國目前已實現多個系列和級別的碳纖維國產化，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的國家

　　?國產碳纖維擊破國外技術、裝備、產品三重封鎖，實現從無到有、擺脫受制于人的背后，可以看到我國科研力量和工業力量的長期積累，也能觀察到舉國體制的強大優勢

　　?2021年以來，碳纖維企業生意紅火、利潤攀升，而且資本青睞、融資不斷。但在多位業內人士眼中，碳纖維行業仍然存在基礎研究、產業發展失序的隱患

　　作為一名跟碳纖維交手36年的“材料人”，徐樑華欣慰的是：“碳纖維從‘卡脖子’的新材料清單上初步撤了出來。”

　　這位北京化工大學材料科學與工程學院教授、國家碳纖維工程技術研究中心主任告訴《瞭望》新聞周刊，我國目前已實現多個系列和級別的碳纖維國產化，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的國家。

　　被稱為“新材料之王”的碳纖維，是國民經濟和國防建設不可或缺的戰略性新材料。尤其對制造業而言，它既是需要著重解決的量大面廣的先進基礎材料，又是制約發展的關鍵戰略材料，上下游產業鏈對重構我國新材料產業體系極為重要。

　　國產碳纖維擊破國外技術、裝備、產品三重封鎖，實現從無到有、擺脫受制于人的背后，可以看到我國科研力量和工業力量的長期積累，也能觀察到舉國體制的強大優勢。

　　碳纖維自強進擊的故事，在國家強調產業安全自主可控的今天格外耐人尋味——工信部2018年對全國30多家大型企業130多種關鍵基礎材料的調研結果顯示，32%的關鍵材料仍為空白，52%依賴進口。

　　踏破鐵鞋得來的碳纖維繁榮，如何讓技術先行的旗幟持續高高飄揚？以碳纖維為代表的中國新材料，又如何構建更好的產業創新生態，確保未來產業安全和國際競爭優勢？

在吉林化纖集團國興碳纖維公司生產車間內，工人整理碳纖維原絲（2022 年 10 月 31 日攝） 顏麟蘊攝

　　跨越碳纖維“天塹”

　　在很多人的印象中，碳纖維性能神奇、價格昂貴，是一種“神壇”上的材料。

　　這種含碳量大于92%的纖維材料，兼具碳材料的強抗拉力和紡織纖維材料的柔軟可加工性，由聚丙烯腈纖維、黏膠纖維、瀝青纖維等有機纖維在高溫下碳化制得。

　　碳纖維細如發絲、輕若鴻毛。其直徑大概5～7微米，十來根合在一起才有一根頭發絲粗；并且密度僅有鋼的1/5、鈦的2/5、鋁的3/5，具有輕質特性。

　　纖細輕量的碳纖維，同時又強如鋼鐵。一束標準12K（1K表示一束碳纖維絲中含有1000根原絲）聚丙烯腈基碳纖維，可承受約130公斤重量。特別是在3000攝氏度的無氧高溫下，別的纖維早已化為灰燼，碳纖維卻安然無恙。

　　碳纖維優異的力學性能，加上耐腐蝕、抗氧化、不生銹等諸多令其他材料望塵莫及的能力，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中構成復合材料，是當之無愧的新一代增強纖維之王。

　　碳纖維在國內的首個市場化應用是1972年上市的碳纖維增強樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應用向高端工業制造和尖端科技領域拓展，目前在航空航天、風電葉片、燃料電池、體育休閑等廣闊領域均大顯身手。

　　按照纖維絲束大小分類，碳纖維可分為小絲束（≤24K）和大絲束（>24K）兩類。小絲束生產工藝控制難度大、價格較高，通常用于國防軍工、航空航天領域。大絲束生產成本低、性價比高，主要用于清潔能源、建筑工程等工業民用領域。

　　在山東大學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世紀是碳的時代，碳纖維首當其任。在某種意義上，碳纖維將是第四次工業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，碳纖維和碳纖維復合材料將發揮越來越重要的作用。”

　　外表纖細、用途廣大的碳纖維，其研發制備卻異常艱難。

　　據朱波介紹，碳纖維裝備技術集材料學、化學、紡織學、機械自動化等多個學科為一體且高度交叉，是極其復雜的系統工程。從原輔料的質量，到原絲及碳化的各個工序，都蘊含有大量的基礎研究、工藝及裝備等“卡脖子”技術。僅以制備為例，其流程就包括上百個細分工序，涉及兩千多個控制參數，每個控制點的參數變化都可能引起連鎖反應，進而導致產品質量波動，甚至功虧一簣。

　　原絲質量決定碳纖維性能。朱波說，碳纖維的性能嚴重依賴于原絲的微觀結構形態及原子序列規整性，如果原絲的分子結構和聚集態結構存在缺陷，對碳纖維的質量和性能影響巨大。

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

　　繁難的制備工藝，讓碳纖維成為一道橫亙在材料學人面前的“天塹”。壟斷相關技術的日美兩國，對碳纖維實施嚴格的專利保護和全面的技術封鎖。“通知性漲價、賞賜性供給”，是彼時國際碳纖維市場的寫照。

　　中國就是在日美對碳纖維技術、裝備、產品三封鎖的情況下，改變了全球碳纖維格局——2005年，光威復材（光威集團旗下威海光威復合材料股份有限公司，下稱光威）研制的CCF-1級（相當于日本東麗的T300級碳纖維，T指高強型碳纖維，后面的數字越高表明強度越好）碳纖維通過國家“863計劃”碳纖維專項驗收，標志著我國摸索出一條成功的技術路線，首次擁有了自己的產業化碳纖維。

　　此后，國產化的碳纖維一路猛進、放量建設，謀求“從無到有”后“從小到大”的躍升。據廣州賽奧發布的《2021全球碳纖維復合材料市場報告》，2021年國內碳纖維運行產能6.34萬噸，占全球總產能20.76萬噸的30.5%。同時，我國首次超越美國成為全球碳纖維最大產能國。

　　中國已然成為全球碳纖維版圖的第三極。

　　科研給力，突破實驗室關鍵技術

　　在此之前，我國的碳纖維研究藉藉無名，經歷了漫長的徘徊。

　　徐樑華就是在國內碳纖維研究的低谷期接觸碳纖維的。“那是1986年，距離我國啟動PAN基碳纖維研制已經十幾年。”

　　PAN基碳纖維又叫聚丙烯腈碳纖維，是碳纖維的主要品種，產量占碳纖維總量的90%以上。

　　在徐樑華看來，我國研制PAN基碳纖維基本與國外同步，應該說起步差距并不大，底子也不薄，但直到2000年，國內對PAN基碳纖維的制備技術依然久攻不下，甚至與國外的差距還在拉大。“而碳纖維的市場需求又非常迫切，處于想用卻供不上的尷尬局面。”

　　徐樑華認為，長期的徘徊背后，有科技投入較少、條塊分割障礙、技術積累不夠等諸多因素，但最關鍵的，在于材料界對碳纖維從認知到科研的力量都比較欠缺，未能找到國產化的主流技術。“再往根上說，就是缺少基礎研究。”

　　徐樑華解釋說，我國在上世紀基本談不上有碳纖維的基礎研究。“企業自不必說，高校和科研院所也大多把精力花在解決企業的工程問題上，對核心的基礎研究欠缺關注。直到上世紀90年代中，大家發現單純埋頭技術研發有問題，才開始回到基礎研究、往基礎上走。”

　　以原絲制備這一PAN基碳纖維的技術關鍵為例，據徐樑華介紹，當時國內已擁有二甲基亞砜法的制備技術，但在結構領域用碳纖維制備方面沒有發揮出作用。“這說明我們沒有吃透技術，再說到底，是我們在基礎研究上下的功夫不夠、積累不夠、功力不夠。”

　　徐樑華帶領團隊轉身瞄準基礎研究。“我們大概做了兩三年的基礎研究，把碳纖維看作高分子材料，回歸到基礎的科學問題，遵循高分子材料的客觀規律，將復雜問題簡單化。從那以后，我們就找對了方向，快速發展起來。”徐樑華說。

　　2000年，徐樑華團隊成功突破國內PAN基碳纖維原絲工藝的主流技術——二甲基亞砜法新工藝。“我們在實驗室階段突破的這一技術，盡管工藝有些粗糙，但為解決結構材料用國產高性能碳纖維的‘有無’問題奠定了技術基礎。”

　　機制助力，走出工程化“死亡之谷”

　　基礎研究邁過至暗時刻后，碳纖維的工程化研究提上日程。

　　在科研創新鏈上，科技成果從實驗室到產業化之間有一個至關重要的工程化環節，著力解決貫通實驗室工藝獲得試驗品、能否量產等問題。

　　其中，號稱“死亡之谷”的中試是工程化的關鍵環節。“業內有一個1∶10∶100的說法，就是說如果科研階段解決1個問題，中試階段就要解決10個問題，工業化階段則要解決100個問題。”朱波說。

　　他解釋說，在科學研究中，如果解決了一個技術難題或理論推導，就可以說是突破甚至是重大突破，而中試里有很多瑣碎的技術問題需要一一解決，稍有不慎即可能半途而廢。“這一環節，科學家往前走往往走不動，企業家往后退也常常退不得，這個階段非常苦、非常難，往往需要國家政策、資金的助力，國家平臺支撐至關重要。”

　　碳纖維打通工程化的艱難路徑，與得到國家“863計劃”等的支持息息相關。

　　2001年，彼時83歲的戰略科學家、兩院院士師昌緒，上書黨中央推動將此列為國家“863”專項，并領導碳纖維的發展。

　　2002年，國家“863計劃”碳纖維專項正式啟動，投入1億元研發資金。此后，國家自然科學基金也對碳纖維給予經費支持。“中國碳纖維關鍵技術攻關由此獲得動能。”徐樑華說。

　　徐樑華當時還擔任科技部設立的碳纖維關鍵技術專項專家小組副組長。據他介紹，“十五”期間，在國家“863計劃”碳纖維專項主導下，我國形成了北京化工大學、中國科學院山西煤炭化學研究所（下稱中科院山西煤化所）、山東大學三個相對集中的研發基地，建立了若干高水平碳纖維和復合材料的研究研制平臺。“碳纖維研發開始作為大協同的技術體系展開研究，打破了各自為戰局面。”

　　機制的變化給徐樑華的印象尤其深刻。

　　徐樑華說，從2005年第一款高性能碳纖維的工程化開始，當時的國防科工委（現國家國防科技工業局）首次使用從技術推動變成需求牽引的一條龍項目管理流程。

　　以往材料研究者做研究，多從研究本身出發，把材料做出來，能發文章、能有專利就完事，就可以評職稱、獲獎項、拿“帽子”，不用考慮規模化和工程化這些用戶在意的事情。需求牽引則不同，研發人員需要站在應用的角度審視碳纖維的制備，要研究到用。

　　“這就深刻改變了研發人員的思維和理念。因為研制生產碳纖維說到底是為了某一領域的應用，沒研究到用等于白研究。理念一變，思路大變。該模式示范意義很大，此后國內關鍵材料也都采用這一模式。”徐樑華說。

　　“863計劃”碳纖維專項摒棄國有、民營等門戶之見，以公平競爭的方式讓評價排名領先者承擔項目，是一大開創性做法。

　　碳纖維領域赫赫有名的民營企業——光威由此嶄露頭角。

　　光威復材董事長盧釗鈞告訴記者，光威本是一家位于山東威海的魚竿生產企業，得益于師昌緒倡導的抽樣盲測法，加入到碳纖維的“國家隊”。

　　盧釗鈞說，抽樣盲測是一種后來被廣泛采用的評比方法，它由專門組成的抽樣專家小組到現場抽樣，然后將樣品統一編號，送到指定的第三方測試單位測試，測試單位并不知道樣品來源。“正是憑借這種新型評價模式，光威靠優異的產品性能，評價排序領先入圍‘863計劃’碳纖維專項。”

　　在全國一盤棋的項目管理策略下，參與院所和企業密切合作，相繼突破PAN基碳纖維噸級試驗線、百噸級中試線。

　　“這宣告我國突破了國產T300級碳纖維核心技術，我國也成為世界上少數掌握高性能碳纖維工程化關鍵技術的國家之一。”盧釗鈞說。

　　中國在碳纖維上終于具備了被討論的資格。

　　企業努力，突圍產業化困局

　　接踵而至的，是國產碳纖維提高產量、提升品質的關鍵之戰——產業化。

　　盧釗鈞說，如果把2005年干出來的T300級碳纖維比作車，那么它最多就是夏利，能開，但跟寶馬不能比。更何況從夏利到寶馬，中間還有大眾等多種車，高性能碳纖維也有多個型號。“做出更好的產品很不容易。每一個高性能碳纖維產品的升級，無一不涉及關鍵技術的攻關、無一不涉及關鍵裝備的突破。”

　　以光威對標東麗T800級碳纖維的QZ5526為例，其制備難度較GQ3522陡然提高一個大臺階。“工藝技術先不說，光研發制備QZ5526必需的碳化爐，光威就投入上億元資金、前后歷時3年。”盧釗鈞介紹。

　　比技術壓力更大的是資金壓力。

　　談起當年的“燒錢”，盧釗鈞心有余悸：“千噸生產線每開工一天，上百萬就沒了，見不到效果，錢就像打了水漂。幾千萬的設備，說不能用就不能用了，只能賣廢鐵。連光威的創始人陳光威都曾說，最考驗企業家神經的，并不是他一下子投入了多少錢，而是當他連續投入巨額資金后，并沒有看見產出，卻依然還要繼續每天‘燒錢’。”

　　巨大的資金投入、漫長的回報周期，讓光威的資金鏈幾近斷裂。“到2012年，銀行已經不肯再給光威貸款。為了研發高性能碳纖維，光威不僅花光了多年的積累，還曾把所有漁具生產的廠房、設備，甚至訂單全部抵押，才融到資金。”盧釗鈞說。

　　光威“九死一生”的碳纖維研發歷程不是孤例。中復神鷹的張國良、恒寶股份的錢云寶等碳纖維領域知名企業家，都曾因攻關碳纖維備受煎熬，有的幾乎耗盡家產。

　　所幸，經過國內工業力量的奮發努力，我國終于構建了工業應用碳纖維的產業基礎，形成了一批可以在市場上生存與發展的企業，且在相當程度上，實現了全面與系統的國產化，大部分技術已經進入自主研發與正向設計的較高水平。

　　國際碳纖維價格應聲“崩盤”：大約在2009年到2014年這5年，T700這種工業級碳纖維的價格降到原來的1/3，高性能碳纖維價格降到以前的1/10。

中國第一汽車集團有限公司與中國航天科技集團有限公司共同自主研發的具有高強度碳纖維車身的國產雪車。圖為一汽研發國產雪車車間（2022 年1月 20 日攝） 張建攝

　　研究降速、產業失序的雙重隱憂

　　2021年以來，碳纖維企業生意紅火、利潤攀升，而且資本青睞、融資不斷。

　　但在多位業內人士眼中，碳纖維行業仍然存在基礎研究、產業發展失序的隱患。

　　我國已成為全球碳纖維最大產能國，但在高性能碳纖維市場，日本產量占據世界近50%。在產品質量上，我國已經能夠生產T700級、T800級、T1000級等高性能產品，但商業化量產尚不多。

　　這意味著，我國的碳纖維在產業化、規模化上沒有問題，但在成本和品質穩定上與國際行業巨頭仍有差距，亟需在技術、資金、人才上持續發力，實現穩質降本。

　　徐樑華說：“國產碳纖維相對來講成本還是偏高。成本高不單純是經濟問題，而是深層次的技術開發不足。比如產能沒有釋放、裝備技術不過關、上漿劑占比高、纖維合格率低等等。高質量、低成本是可以通過合理的技術手段實現的。我們提出到2030年爭取把碳纖維的價格做到10美元/公斤，實現這一目標還需要在技術上做很多事。”

　　近年碳纖維的“美好時光”正在讓一些企業放慢往日奮斗的步履。“很多企業仍在沿用10多年前的制備方法，技術升級的意愿和意識并不強烈。甚至可以說，早幾年碳纖維生意不那么好的時候，企業多少還能靜心做研究，這兩年日子好過了，技術研發反而停頓下來。”徐樑華說。

　　更讓徐樑華憂心的是：“即便現在，我們碳纖維的基礎研究力量合起來還趕不上國際上的技術龍頭企業，甚至從事完整關鍵技術研究的力量還在萎縮。”

　　朱波也感覺到這幾年同行中的高手反而少了。在他看來，碳纖維技術進步的空間依然很大，遠未到“天花板”。“一方面，搞碳纖維要舍得花錢。另一方面，也要選對人、選對團隊。特別是要看積累和潛力、團隊結構和人才梯隊，進行滾動式、階段性考核。”

　　碳纖維產業發展失序也引起受訪專家關注。

　　中科院山西煤化所研究員、碳纖維團隊負責人張壽春告訴記者，碳纖維在當前的熱度下，出現了一些低水平重復建設現象，不利于行業整體水平的提高。“國內碳纖維企業在核心技術、產品優勢、產業鏈條布局、知識產權保護等方面仍有不足，未來面對充分市場競爭態勢，尤其是與國際一流碳纖維企業競爭的情況下，可能出現綜合實力、競爭力的不足。”

　　盧釗鈞說，2010年后，地方政府對碳纖維熱情很高，民營企業的熱度也很高，國內碳纖維生產線放量建設，最多時全國有40多家碳纖維企業。現在企業數量大大減少，但仍顯擁擠。“碳纖維是戰略性新材料，需要國家戰略性布局。”

　　徐樑華認為，中國的碳纖維尚未有足夠的行業競爭力。“碳纖維及其復合材料的應用領域都是西方國家建立的，我國還沒有原始創新拓展的應用領域。只有當我們開發出一個國外沒有的、標志性的碳纖維應用市場時，行業才算真正有競爭力。”

　　在這個意義上，多位受訪專家建議腳踏實地解決前瞻性系統性問題，“從業者宜自問，一旦進口碳纖維能夠暢通無阻進入，企業現有客戶會不會流失？我們的技術還能不能占有一席之地？產業鏈的安全又是不是掌握在自己手中？”

　　（注：本文僅代表作者本人觀點，與本網無關）

　　（文?|《瞭望》新聞周刊記者?張冉燃）

　　（來源：中國化學纖維工業協會）