打破技術(shù)封鎖，國產(chǎn)碳纖維要走中國特色自主創(chuàng)新道路

1978年，改革開放的春風(fēng)吹進(jìn)了中華大地，2018年，改革開放的春風(fēng)已吹遍中華大地的每個(gè)角落。

從上面這些物品中我們能夠從中發(fā)現(xiàn)生活的巨大變化，從衣著服飾到高精尖產(chǎn)品，每一步的發(fā)展都離不開碳纖維。碳纖維具有高強(qiáng)高模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、耐濕、密度小、蠕變小、導(dǎo)電傳熱、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，既可作為結(jié)構(gòu)材料承負(fù)載荷，也可作為功能材料發(fā)揮作用。

我國碳纖維工業(yè)的起步可以追溯到1962年，2005年，我國碳纖維行業(yè)僅有10家企業(yè)，產(chǎn)能之和占全球總產(chǎn)能的1%；2008年，以國有企業(yè)為主的大量工業(yè)企業(yè)涌入碳纖維行業(yè)，但大多數(shù)企業(yè)在一些關(guān)鍵技術(shù)上無法突破，生產(chǎn)線運(yùn)行及產(chǎn)品質(zhì)量極不穩(wěn)定，導(dǎo)致“有產(chǎn)能，無產(chǎn)量”的現(xiàn)象出現(xiàn)；2010年，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的0.4%左右，碳纖維需求嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

但在*近幾年中，碳纖維工業(yè)得到了快速發(fā)展，相關(guān)研究工作也在如火如荼地進(jìn)展當(dāng)中，例如中復(fù)神鷹公司經(jīng)過一年的研究，成功向世界推出SYM40(M40級(jí)別)碳纖維產(chǎn)品。

盡管如此，但我國在碳纖維的制備等方面突出問題還是存在，并且長期得不到解決。

美日壟斷

對(duì)比2011-2015年碳纖維企業(yè)排名，可以發(fā)現(xiàn)，日本和美國企業(yè)一直遙遙*，而中國企業(yè)與美日相比還是存在較大差距。

2017年全球碳纖維理論產(chǎn)能14.71萬噸，其中美國碳纖維理論產(chǎn)能3.86萬噸，日本2.72萬噸，排名全球前二，兩國累計(jì)占全球產(chǎn)能的45%。日本東麗目前是世界上*大碳纖維生產(chǎn)商，在小絲束碳纖維領(lǐng)域，日本東麗占據(jù)全球26%的市場份額，2017年?duì)I業(yè)收入達(dá)1302億元。在大絲束碳纖維領(lǐng)域，美國赫氏公司占全球58%，產(chǎn)品應(yīng)用在F-22、F-35、空客A350等知名航空裝備。

美日等國家碳纖維主要在航空航天、國防等工業(yè)方面應(yīng)用，而我國碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域雖然也每年增加并朝著國防、軍工航空航天等方面發(fā)展，但下游消費(fèi)領(lǐng)域還是以文體休閑產(chǎn)品和工業(yè)應(yīng)用為主，2010年我國碳纖維及制品進(jìn)口量為10.966kt，體育休閑占進(jìn)口量的64.5%，工業(yè)領(lǐng)域占進(jìn)口量的20.9%，而航空航天只占進(jìn)口量的0.6%，其他占進(jìn)口量的14%，增幅較大的是風(fēng)力發(fā)電葉片、氣瓶、船艇、機(jī)械配件等。

突破技術(shù)瓶頸

日本東麗公司通過突破碳化工藝，使碳纖維強(qiáng)度和模量同時(shí)提升10%以上，率先達(dá)到了第三代碳纖維的技術(shù)要求。東麗利用傳統(tǒng)的PAN溶液紡絲技術(shù)，精細(xì)控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結(jié)構(gòu)，對(duì)碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進(jìn)行控制，從而使強(qiáng)度和彈性模量都得到大幅提升。

美國佐治亞理工學(xué)院研究小組通過突破原絲制備工藝，在保持碳纖維高強(qiáng)度同時(shí)，彈性模量提升28%以上。2015年7月，該研究小組利用創(chuàng)新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術(shù)，將碳纖維拉伸強(qiáng)度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達(dá)354～375GPa。雖然拉伸強(qiáng)度和IM7相當(dāng)，但彈性模量實(shí)現(xiàn)了28%～36%的大幅提升。這表明美國已經(jīng)具備了第三代碳纖維產(chǎn)品的自主研發(fā)實(shí)力。

技術(shù)裝備封鎖

碳纖維是軍民兩用材料，屬于技術(shù)密集型和敏感的關(guān)鍵材料，一直被以日本東麗為首的西方國家實(shí)施禁運(yùn)和技術(shù)封鎖。中國對(duì)碳纖維的研究開始于1960年代，80年代開始研究高強(qiáng)度碳纖維，雖然取得了一定的成果，但被外界認(rèn)為進(jìn)展緩慢，加上核心技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備長期被日本、美國和西歐國家壟斷，使得中國在這個(gè)領(lǐng)域遭到打壓，以致于落后了幾十年。

例如，在裝備制造上，石墨化爐是制備高強(qiáng)高模碳纖維需要的設(shè)備，石墨化爐溫度要求達(dá)到2800℃以上，但國內(nèi)受爐體原材料限制導(dǎo)致高溫裝備性能不穩(wěn)定，而且這些材料國外對(duì)我們是禁運(yùn)的。

我國碳纖維發(fā)展問題

一是基礎(chǔ)尚較薄弱，碳纖維是技術(shù)含量極高的材料分支，它的技術(shù)和工藝包括了原液聚合到紡絲到預(yù)氧化碳化等復(fù)雜工序，既要解決原理性的科學(xué)問題，又要解決難度極大的關(guān)鍵技術(shù)和工程問題。中國還沒深入全面掌握核心技術(shù)，在質(zhì)量上還有較大的提升空間，研發(fā)和生產(chǎn)裝備對(duì)外仍有相當(dāng)依賴。

二是不同程度存在材料本身研發(fā)與應(yīng)用脫節(jié)，存在不敢用和不會(huì)用的問題，其他領(lǐng)域的應(yīng)用上喊得多、用得少。

三是在質(zhì)量控制和成本方面與碳纖維強(qiáng)國仍有差距等。

總結(jié)：

為使碳纖維及其復(fù)合材料真正成為軍民兩用材料，成為碳纖維強(qiáng)國，我們?nèi)孕枧�力。�?yīng)加強(qiáng)對(duì)碳纖維進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃，使其按市場規(guī)律有序發(fā)展；重視人才培養(yǎng)，加強(qiáng)技術(shù)基礎(chǔ)研究，尋找新的發(fā)展動(dòng)力；在質(zhì)量上下功夫，確保其性能的穩(wěn)定性，通過自主創(chuàng)新，發(fā)展新技術(shù)和新的制造裝備，著實(shí)拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，提高其性價(jià)比和國際競爭力。盡快制訂碳纖維發(fā)展的整體規(guī)劃，加強(qiáng)建立重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)基地、發(fā)揮區(qū)域合作優(yōu)勢、建立評(píng)價(jià)和認(rèn)證機(jī)構(gòu)打破技術(shù)封鎖，國產(chǎn)碳纖維要走中國特色自主創(chuàng)新道路。