造大飛機要用的碳纖維，中國能否打破美日壟斷？
點擊： 作者：正解局 來源：正解局 微信號 發布時間:2021-10-21 17:57:58
碳纖維領域最核心的先進技術，尤其是超高強度高端碳纖維的干噴濕紡技術，依舊被美日壟斷。
一個月前，一條新聞引起了我的關注：中國建材萬噸碳纖維生產線在西寧正式投產。
這個迄今為止我國最大的碳纖維生產基地，投產后高性能碳纖維的單線年產能有望達到3000噸。
碳纖維，一個很小眾的產品，作用卻極大。
中國年需求量5萬多噸，國產化不足一半。
中國該如何打破外國碳纖維壟斷？
“碳纖維”這個名詞大概很多人都聽過，但究竟是什么，恐怕很多人還不清楚。
碳纖維是一種含碳量超過90%的，具有高強度、高模量性狀的纖維狀碳材料。
據說，其發明可追溯到愛迪生。
當年愛迪生改良燈絲延長燈泡壽命，曾用竹子、亞麻或棉紗為原料，制造出碳纖維并獲得專利。
可惜因為技術限制，當時制造出來的碳纖維力學性能很差，工藝復雜，難以量產，所以技術就被暫時擱置了。
愛迪生
上世紀中期，各發達國家加大對航天航空領域的投入，科研人員迫切需要尋找一種質量輕、強度高、耐高溫、抗腐蝕的材料，碳纖維剛好具備這些優異性能，于是重新進入人們的視野。
碳的密度比大部分金屬都低，所以碳纖維制品也比同樣的金屬制品更輕。
具體而言，碳纖維的密度只有鋼材的五分之一，但強度卻是鋼材的5到7倍。
一般認為，碳纖維所擁有的高強度，來源于碳原子的整齊排列。
在碳纖維中，碳原子之間有著立體蜂窩狀結構的碳-碳共價雙鍵，結合非常緊密，即便受到外力的強沖擊，也不會造成太大的形變破損。
當然，想要得到如此緊密有序的“造型”，可不是件容易的事。
很多人對碳纖維的工藝不了解，存在認知誤區。
其實，碳纖維并不是直接用碳做成的纖維，至少目前還達不到。
碳纖維制造工藝的基本流程，是采用如聚丙烯腈纖維、瀝青纖維和人造絲等含碳高的有機纖維作為原料，混合塑料樹脂后，在高溫高壓的惰性氣體環境中進行脫水炭化而成。
在大約1400℃的高溫“燒制”下，絕大多數碳已經變成沿纖維軸平行排列的碳網面，由此帶來良好的剛性和強度。
碳纖維生產工藝流程
另外，成型的碳纖維直徑只有5到10微米，比頭發絲還要細得多。
跟很多人的直覺認識不同，碳纖維越細，缺陷就越少，強度也越大。
不管什么樣的碳纖維，還都只是一維的，要變成可使用的制造業原材料，還需要編制處理，把碳纖維紡成薄薄的布。
不同類型碳纖維的微觀結構
為了讓碳纖維制品的硬度更好，碳纖維布之間會注入樹脂和固化劑，把它們一層層疊加黏合起來，就像一張張紙裝訂成一本書。
需求不同，層數也不一樣。這一步完成后，基本就是我們能看到的碳纖維制品的外觀形態了。
碳纖維制品
可見，碳纖維的優良性質，雖然本質上來源于它的內部結構，但落腳點還是制造工藝，產品的量產需要解決很多復雜的技術難題。
工藝復雜，價格自然昂貴，最早使用碳纖維的領域肯定不差錢兒。
航天領域對材料輕量化的追求，早已達到以克為計量單位的程度，在安全的基礎上不斷追求更輕。
因為火箭需要巨大的助推力，所以，燃料儲箱的重量往往占到整體重量的六成以上，如果能減輕容器自身的重量，火箭就能更輕盈，提升有效載荷，提高發射效率。
碳纖維耐高低溫、重量輕等特性，自然成為火箭的首選。
在這里講句題外話，世界航空航天的發展歷史，其實是相關材料科學的發展史。
每一代新材料的出現，都會引發顛覆性的變革。
與火箭一樣，飛機設計中也有結構輕量化的考量。
用碳纖維制造的飛機，可以大幅節約能耗，不但使飛行航程擴展，載荷提高，機動靈活性還更強，而且飛行壽命也延長了。
美國早在1969年就已經把碳纖維復合材料用在了F-14A戰斗機上，但由于工藝和造價的限制，當時僅僅使用了相當于飛機自重1%用量的碳纖維。
可就是這么一點碳纖維，已經讓美國軍方嘗到了甜頭。
到了以F-22和F-35為代表的第四代戰斗機，碳纖維的使用比例驟然提升到飛機重量的24%和36%。
碳纖維的結構，還讓戰斗機額外具有電磁屏蔽和隱身特性。
在無人機領域，碳纖維更是保證承載和續航的不二之選，使用比例是所有航空器中最高的。
美國全球鷹（GlobalHawk）無人偵察機碳纖維占比達到65%，X-47B、“神經元”、“雷神”等幾個型號的無人機上，碳纖維的使用比例高達九成。
不同型號戰斗機碳纖維的使用比例
除了天上飛的，海里游的也照樣能用上碳纖維。
船舶艦體的上層建筑使用碳纖維，可減輕總體質，提高安全性能；用碳纖維做葉片艦船推進器，在減輕自重的同時能夠降低油耗，延長使用壽命；桅桿、船體結構上使用碳纖維，能增加艦船強度。
在軍事方面，碳纖維還有個很特殊的專門用途——制造炸彈。
碳纖維炸彈又叫石墨炸彈或軟炸彈（Soft Bomb），由經過特殊處理的碳纖維制成。
咱們說過碳纖維直徑很小，就能在高空中長時間漂浮。
這些碳纖維，能進入電子設備的內部，以及冷卻管道和控制系統的電路中，造成短路。
在戰場上沒了電，軍事指揮所需要的各種高精尖裝備的使用就無從談起了。
碳纖維在軍事領域如此重要，必然屬于戰略物資。
隨著科技軍轉民的潮流，碳纖維也廣泛應用于民航、醫療、汽車、體育等民用領域。
咱們自己的民用大飛機C919的發動機上，使用碳纖維復合材料的葉片，重量比傳統鈦合金減少500多公斤，機身整體重量減少1噸。飛機油耗降低，航程提升。
C919
在醫療領域，碳纖維的應用很廣泛。
比如在人工骨骼和關節方面，由于碳纖維具有優良的力學強度和抗拉蠕變性能，制造出來的骨骼更接近人骨，與人體相容性更好；用碳纖維制成的人工關節，在關節連接處的耐磨性也比金屬制品要更高。
國內碳纖維的最大消費方向是風力發電機的葉片，約占民用碳纖維消費的四成。
風電葉片越來越長，傳統玻璃纖維復合材料，已經無法滿足風電葉片大型化、輕量化的要求。
碳纖維材料具有更低的密度和更高的強度，可以保證風電葉片在增加長度的同時，大大降低重量。
布加迪Chiron 110 ans特別版采用碳纖維車身
小到羽毛球拍、嬰兒推車，大到輪船飛機、超高速列車，對碳纖維的需求無處不在。
在巨大的消費需求面前，我國碳纖維市場的國產化程度比較低，供應略顯不足。
這種不足，主要是因為咱們起步太晚。
上世紀50年代初，美國空軍就開始把新材料的研發重點放在碳纖維上。
1959年，美國空軍材料實驗室和美國聯合碳化公司首次用人造絲作為原料，實現了碳纖維的量產。
1960年代，日本也加入碳纖維的研發，日本碳公司實現了通用級聚丙烯腈基碳纖維的生產。
1971年，日本東麗公司的高性能聚丙烯腈基碳纖維在滋賀試投產。
日本東麗公司
日本采取的聚丙烯腈技術比美國的人造絲技術更先進。
1970年代，美國聯合碳化公司主動找到日本東麗公司達成合作協議，用自己比較成熟的碳化技術與東麗公司的聚丙烯腈原絲技術交換。
美日兩國各取所需，形成了碳纖維技術的雙雄壟斷。
西歐各國也在1970年代加入碳纖維的技術大戰。
到1980年代中期，聚丙烯腈基碳纖維成為各國主流，全球年產能力在7200多噸，除滿足科研用途之外，基本全都用在航空航天等高精尖領域，特別是軍事領域。
追溯起來，我國的碳纖維研究起步于1970年代初期，中科院化學所高分子材料物理研究室進行了相關研究。
1975年，時任國防科工委主任的張愛萍將軍主持召開專題會議，部署國內碳纖維研究工作，還制定了十年規劃。
但由于美日對于碳纖維技術的壟斷，我國的碳纖維技術一直在低水平徘徊。
到了1990年代，雖有零星產品，但始終無法大規模生產。
2000年，在師昌緒院士的牽頭和推動下，發起了中國碳纖維技術攻關的新一輪戰略構思。
2001年1月，80歲的師院士給江澤民主席寫了《關于加速開發高性能碳纖維的請示報告》，各主要領導對我國碳纖維的發展有了清晰的認識，相關研發項目再次啟動。
以2002年入選國家863計劃為新起點，我國碳纖維開啟了沖出壟斷的逆襲之旅。
師昌緒院士
經過十幾年的發展，到2019年中國碳纖維的理論產能已經排名第三，以2.685萬噸僅次于美國（3.73萬噸）和日本（2.91萬噸）。中、美、日三國總共占有全球碳纖維總產量的六成。
居安思危，雖然我國的碳纖維的產量已經大幅提升，但主要是通用型的低端產品，采用濕紡技術。
碳纖維領域最核心的先進技術，尤其是超高強度高端碳纖維的干噴濕紡技術，依舊被美日壟斷。
該技術具有生產效率高、碳纖維品質好、生產成本低等優點，生產的高端牌號碳纖維，特別是T-1000及以上級別的超高強度碳纖維更是高端尖貨，是美日對我國技術封鎖的“卡脖子”領域。
掃描電鏡下，單根碳纖維的表面結構（左：濕紡纖維；右：干噴濕紡纖維）
比如日本東麗公司，作為全球最大的碳纖維生產商之一，其產品從小絲束到大絲束，從線、條到面板，已經做到了全系列覆蓋，代表著碳纖維工業化技術的最高水平。
東麗公司對高端碳纖維材料的壟斷，占據著航天航空的國際市場。
盡管我國對高模高強碳纖維的研發工作，已經成功攻克了實驗室制備技術，科研成果和實際效果也已經接近了國際先進水平。
但在產業方面，我國的碳纖維技術、生產水平，則主要集中在中低規格的通用型產品。
通用性級別的產品，占到國產碳纖維產品的九成，用于民用產品的制造比較合適，卻很難滿足高端工業領域，尤其是現代國防的需求。
任何技術要實現產業化落地，除了與之配套的技術，還需要包括原材料、設備、工藝控制等多方面的協同發展和完善。
為了突破美日在碳纖維方面的技術封鎖，2018年，集全國10余所高校、科研院所、企業的通力合作，我國已成功實現了從12K小絲束到48K大絲束的突破。
2019年初，中科院山西煤炭化學研究所實現了干噴濕紡制備T-1000級超強碳纖維的核心技術突破，并且在國內首次開發出聚丙烯腈基新型中空碳纖維。
西寧投產后，未來仍可期。今年1月，上海石化1.2萬噸/年48K大絲束碳纖維項目正式開工建設，計劃2024年建成投產。
新聞報道
我國碳纖維的技術和產業發展，已經到了打破美日壟斷的臨門一腳。
產能提升可能不是難事，最重要的還是技術的看齊。
唯有如此，才能在新技術來臨時彎道超車，徹底打破美日壟斷。
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