車(chē) 晶

工程科學(xué)與技術(shù)

工程視野下的高性能碳纖維材料發(fā)展現(xiàn)狀分析

車(chē) 晶

（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 科研處, 北京 100049）

高性能碳纖維物化性能優(yōu)越，是航空航天等重大工程急需的關(guān)鍵材料，屬于國(guó)家戰(zhàn)略性資源。因國(guó)際封鎖，以及國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平有限，目前尚無(wú)法完全滿(mǎn)足市場(chǎng)和戰(zhàn)略性需求。介紹了高性能碳纖維的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，并基于工程科學(xué)理論知識(shí)，分析了高性能碳纖維材料的制造流程，梳理了全流程中的“卡脖子”問(wèn)題，對(duì)其發(fā)展面臨的一系列問(wèn)題進(jìn)行了探討。認(rèn)為對(duì)于類(lèi)似高性能碳纖維這樣的重大工程中的關(guān)鍵材料，應(yīng)采用工程思維對(duì)其制造的全流程進(jìn)行流程工程學(xué)研究，通過(guò)提升關(guān)鍵材料制造水平輻射帶動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展和機(jī)械制造自動(dòng)化、智能化升級(jí)。

高性能碳纖維；戰(zhàn)略性材料；工程思維；流程工程學(xué)

高性能碳纖維材料（High-Performance Carbon Fiber）是諸多重大工程急需的典型先進(jìn)性材料，尤其是在國(guó)防軍工、航空航天領(lǐng)域等[1, 2]。業(yè)界廣為流傳著一句話(huà)：“一代材料，一代裝備，一代產(chǎn)業(yè)?！痹诤娇疹I(lǐng)域，這句話(huà)又被具體闡述為：“一代材料，一代飛機(jī)。”[3]碳纖維材料的出現(xiàn)完美地印證了這句話(huà)，其高強(qiáng)輕質(zhì)的優(yōu)異特性使其在輕量化領(lǐng)域尤其是結(jié)構(gòu)減重應(yīng)用方面成績(jī)斐然。碳纖維及其復(fù)合材料在航空航天、軌道交通、海裝、建筑、工業(yè)應(yīng)用、新能源（風(fēng)電）等領(lǐng)域表現(xiàn)出色，其出現(xiàn)更是促使航空業(yè)得到了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展[4]。而高性能碳纖維是其中的佼佼者。高性能碳纖維突出的高比強(qiáng)度和高比模量，使其成為了導(dǎo)彈、航天器等軍用高端領(lǐng)域的關(guān)鍵材料。

基于長(zhǎng)期的知識(shí)積累和強(qiáng)大的工業(yè)基礎(chǔ)，美國(guó)、日本等國(guó)關(guān)于高性能碳纖維及其復(fù)合材料的性能及制備研究已經(jīng)相當(dāng)成熟。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的追趕，也取得了一些可喜的成績(jī)[1, 5-7]，但其在國(guó)內(nèi)的發(fā)展應(yīng)用依然受限。不僅高強(qiáng)高模等小絲束碳纖維材料核心技術(shù)與國(guó)外發(fā)展水平仍有較大差距，高端應(yīng)用仍依賴(lài)進(jìn)口；相對(duì)容易制造的大絲束碳纖維材料產(chǎn)業(yè)化水平也仍需提升，且隨著未來(lái)工業(yè)界包括風(fēng)電、汽車(chē)行業(yè)大規(guī)模的使用，其產(chǎn)能缺口也將進(jìn)一步加大。本文首先將介紹高性能碳纖維材料的發(fā)展歷程，厘清目前國(guó)內(nèi)需求困境的由來(lái)。碳纖維的生產(chǎn)制造屬于典型的流程制造業(yè)，本研究將基于工程科學(xué)的理論對(duì)其制造的全流程和“卡脖子”的問(wèn)題進(jìn)行梳理，采用工程思維對(duì)其在國(guó)內(nèi)的發(fā)展進(jìn)行探討，以期引發(fā)相關(guān)從業(yè)者的思考和討論。

1 碳纖維材料發(fā)展簡(jiǎn)史

碳纖維是將有機(jī)纖維經(jīng)預(yù)氧化、高溫碳化后形成的纖維狀聚合物碳，理論上所有含碳高分子均可作為其前驅(qū)體材料。因聚丙烯腈（PAN）基碳纖維產(chǎn)量占碳纖維總產(chǎn)量的90%以上，因此通常所說(shuō)的碳纖維材料即為PAN基碳纖維材料[5]。碳纖維及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高模、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等一系列優(yōu)異的性能，很快成為了輕量化材料家族的一員[8, 9]。杜善義院士曾說(shuō)，“碳纖維，是具有一定顛覆性的技術(shù)，其本身具有一些優(yōu)越性，是別的傳統(tǒng)材料不可替代的”[10]。圖1以用途結(jié)合時(shí)間為脈絡(luò)，梳理了碳纖維材料的發(fā)展簡(jiǎn)史。

圖1 碳纖維材料發(fā)展簡(jiǎn)史

碳纖維最早于19世紀(jì)80年代以燈絲的形式誕生于美國(guó)[11]。1960年，美國(guó)的羅格?貝肯發(fā)現(xiàn)了碳纖維的石墨晶須結(jié)構(gòu)，這一發(fā)現(xiàn)成為了高性能碳纖維相關(guān)基礎(chǔ)研究的里程碑[11]。然而自發(fā)現(xiàn)碳纖維開(kāi)始，美國(guó)主要關(guān)注的是人造纖維基碳纖維技術(shù)，高性能PAN基碳纖維的研究則由日本開(kāi)啟并發(fā)揚(yáng)。20世紀(jì)60年代日本科學(xué)家近藤昭男申請(qǐng)了聚丙烯腈制備碳纖維的專(zhuān)利[12]，隨之日本科學(xué)界和工業(yè)界迅速跟進(jìn)與推廣，使得日本一舉占據(jù)了相關(guān)技術(shù)的先導(dǎo)地位。1970年日本東麗與美國(guó)聯(lián)合碳化物公司簽署了技術(shù)互換協(xié)議，美國(guó)也開(kāi)始在高性能PAN基碳纖維領(lǐng)域發(fā)力。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)PAN基碳纖維的研究始于1962年，但多年未有進(jìn)展，生產(chǎn)出的原絲和碳纖維力學(xué)性能較差，與國(guó)外產(chǎn)品質(zhì)量差距大。因技術(shù)沒(méi)有根本性突破，參與研發(fā)的單位陸續(xù)退場(chǎng)，僅中科院山西煤化所、長(zhǎng)春應(yīng)化所、化學(xué)所等為數(shù)不多的單位相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)默默堅(jiān)持。國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維材料研發(fā)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)發(fā)生在2000年。我國(guó)著名材料科學(xué)家、戰(zhàn)略科學(xué)家?guī)煵w院士在2000年提出了要“抓一抓碳纖維”的建議，并于次年給中央提交了《關(guān)于加速開(kāi)發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告》[13]。同年10月，國(guó)家科技部設(shè)立了碳纖維專(zhuān)項(xiàng)。在師昌緒先生的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維的研究陸續(xù)有了各個(gè)層面的支持。

2 作為國(guó)家戰(zhàn)略性資源的高性能碳纖維材料

如前所述，碳纖維及其復(fù)合材料具有典型的輕量化特征，且材料具有可設(shè)計(jì)性和易加工性，尤其是高性能碳纖維力學(xué)性能達(dá)到高端軍用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，在國(guó)防軍事、航空航天高端領(lǐng)域受到各國(guó)的青睞。采用高性能碳纖維復(fù)材能夠?qū)崿F(xiàn)武器系統(tǒng)的輕量化，提高武器射程、快速反應(yīng)能力和精確打擊能力。20世紀(jì)90年代以后，美國(guó)的戰(zhàn)斗機(jī)大量采用了碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件，包括尾翼、機(jī)身蒙皮、機(jī)翼壁板和蒙皮等，占比可達(dá)30%，滿(mǎn)足了戰(zhàn)斗機(jī)高機(jī)動(dòng)性、超音速巡航及隱身①部分型號(hào)的碳纖維復(fù)合材料能有效地吸收雷達(dá)波，美國(guó)的p-22超音速飛機(jī)、幻影III戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱形轟炸機(jī)等機(jī)身材質(zhì)采用了碳纖維復(fù)合材料作為雷達(dá)波的吸收件。的需求[14]。碳纖維應(yīng)用在商用飛機(jī)上時(shí)，其減重作用可直接降低飛機(jī)運(yùn)營(yíng)與維護(hù)費(fèi)用[15]。高性能碳纖維亦具有優(yōu)異的空間環(huán)境穩(wěn)定性，滿(mǎn)足太空極端環(huán)境對(duì)材料的要求，可用于衛(wèi)星外殼、儀器安裝結(jié)構(gòu)板等本體結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池陣結(jié)構(gòu)、天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等[16, 17]。根據(jù)國(guó)內(nèi)公開(kāi)的文獻(xiàn)，作為我國(guó)戰(zhàn)略性資源之一，在高端國(guó)防軍事領(lǐng)域，碳纖維材料已被成功應(yīng)用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)構(gòu)件、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、火箭導(dǎo)彈殼體、導(dǎo)彈噴管和彈頭等多種戰(zhàn)略武器。在商用飛機(jī)方面，2017年首飛的國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919中碳纖維復(fù)合材料的使用量達(dá)到了11.5%左右[2]；軍用飛機(jī)方面，殲-20使用了性能優(yōu)異的T700級(jí)碳纖維，復(fù)合材料使用量達(dá)到了20%左右。

表1 2012年以來(lái)碳纖維材料部分政策支持情況

注：內(nèi)容整理自國(guó)務(wù)院、工信部等網(wǎng)站公開(kāi)資料②部分文件來(lái)源網(wǎng)址：http://www.gov.cn/zwgk/2012-07/20/content_2187770.htm；http://www.gov.cn/gzdt/2012-02/22/content_ 2073383.htm；http://www.gov.cn/gzdt/2013-11/07/content_2523519.htm；http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-08/08/content_5098072. htm；http://www.gov.cn/zhengce/content/2016-12/19/content_5150090.htm；https://www.ndrc.gov.cn/fggz/fzzlgh/gjjzxgh/201706/W02019 1104624321238730.doc；http://www.gov.cn/xinwen/2018-09/22/5324533/files/dcf470fe4eac413cabb686a51d080eec.pdf；http://news.sciencenet. cn/htmlnews/2017/4/374657.shtm；http://www.gov.cn/xinwen/2017-11/29/content_5243125.htm。。

因其在重大工程中的特殊作用，碳纖維尤其是高性能碳纖維材料及相關(guān)技術(shù)、設(shè)備，和核武器、芯片制造技術(shù)等一直都在歐美日對(duì)華的禁運(yùn)名單之列。為盡快實(shí)現(xiàn)碳纖維及其復(fù)合材料的自主國(guó)產(chǎn)化，國(guó)家從政策層面給予了碳纖維材料各方面的支持。表1給出了2012年以來(lái)部分與碳纖維相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃及政策。

可以看出，從“十二五”起，國(guó)家密集出臺(tái)了相關(guān)政策與文件，從政策層面大力扶持碳纖維產(chǎn)業(yè)，并大力引導(dǎo)全社會(huì)資源投入，一時(shí)間，諸多碳纖維企業(yè)或相關(guān)項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)紛紛落地。然而，預(yù)想中的國(guó)際碳纖維產(chǎn)業(yè)化新的結(jié)構(gòu)重組和產(chǎn)能擴(kuò)張仍未出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)高性能碳纖維材料“卡脖子”的情況仍未得到有效解決。

3 碳纖維材料的制造流程及難點(diǎn)

碳纖維行業(yè)是典型的流程制造業(yè)，其完整產(chǎn)業(yè)鏈從一次能源直到終端應(yīng)用。針對(duì)該類(lèi)型制造業(yè)所具有的連續(xù)性特征，可采用流程工程學(xué)來(lái)分析其運(yùn)行規(guī)律和本質(zhì)特征[18]。流程工程學(xué)的研究對(duì)象不是孤立的技術(shù)、設(shè)備或工序，而是連續(xù)的、整體化的制造流程。以PAN基碳纖維為例，其上游為用于預(yù)浸或增強(qiáng)的PAN原絲生產(chǎn)，中游為碳纖維和碳纖維編織布、預(yù)浸布等制品生產(chǎn)，下游為可應(yīng)用于航空航天、體育休閑、風(fēng)電葉片、汽車(chē)等領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料部件和工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)（圖2）。目前就國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，上中下游皆存在尚未突破的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)[5]。

（1）上游：PAN原絲生產(chǎn)。首先從石油、煤炭、天然氣等一次能源可以獲得丙烯，丙烯經(jīng)氨氧化后得到單體丙烯腈。丙烯腈經(jīng)聚合反應(yīng)和濕法紡絲或干噴濕紡等工藝后得到PAN原絲。涉及的操作包括：聚合、脫泡、計(jì)量、噴絲、牽引、水洗、上油、烘干收絲等步驟。目前存在的問(wèn)題是難以穩(wěn)定獲得高純化、高強(qiáng)化、致密性好、瑕疵少的高性能PAN原絲。聚合物原絲碳化時(shí)，其原有的聚合物結(jié)構(gòu)包括存在的結(jié)構(gòu)缺陷將完整保留下來(lái)，因此原絲的質(zhì)量高低，是決定碳纖維性能的不可逆轉(zhuǎn)的第一步。為減少因PAN均聚物預(yù)氧化過(guò)程中集中放熱造成的大孔缺陷，可將丙烯腈單體與丙烯酸甲酯、衣康酸等單體共聚，但共聚單體的含量和其在聚合物鏈上的分布會(huì)影響原絲結(jié)構(gòu)、紡絲溶液流變性能及預(yù)氧化工藝。目前，中科院化學(xué)所、長(zhǎng)春應(yīng)化所等研發(fā)單位針對(duì)PAN原絲生產(chǎn)進(jìn)行了一系列的研究。因聚合物結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系向來(lái)是高分子學(xué)科的難點(diǎn)與重點(diǎn)，對(duì)碳纖維及其復(fù)合材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝、性能相關(guān)知識(shí)的積累與有效轉(zhuǎn)化仍較為缺乏，需要長(zhǎng)期的相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的投入與建設(shè)。

圖2 典型的碳纖維制造全流程簡(jiǎn)圖

此外，紡絲過(guò)程涉及溫度和速度的精密控制，先進(jìn)的紡絲技術(shù)是目前美日等國(guó)家在高端原絲方面與我國(guó)拉開(kāi)差距的途徑之一。對(duì)于PAN紡絲溶液的研究有很多，其溶液中存在的微凝膠對(duì)溶液可紡性影響較大。國(guó)內(nèi)有部分生產(chǎn)廠(chǎng)家采用傳統(tǒng)的共聚物連續(xù)聚合工藝，來(lái)防止聚合過(guò)程中的凝膠化。國(guó)外技術(shù)積累多，工藝更為先進(jìn)，創(chuàng)新性更強(qiáng)。如2015年，在DAPRA資助下，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院研究小組開(kāi)發(fā)了創(chuàng)新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術(shù)，采用凝膠將聚合物鏈聯(lián)結(jié)在一起，產(chǎn)生了強(qiáng)勁的鏈內(nèi)力和微晶取向的定向性，保證了纖維絲束在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下仍具備高強(qiáng)度，在未損失碳纖維高強(qiáng)度的情況下提升了高模量值。

（2）中游：PAN基碳纖維制品生產(chǎn)。原絲先預(yù)氧化，后經(jīng)低溫和高溫碳化后得到碳纖維，經(jīng)表面處理、上漿后得到碳纖維織物和預(yù)浸料。涉及的操作包括：放絲、預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、上漿、烘干收絲、卷絲等步驟。如果說(shuō)上游的原絲尚能通過(guò)購(gòu)買(mǎi)獲得，那么中游的高性能碳纖維制品可以說(shuō)是受到了最為嚴(yán)格的禁運(yùn)。例如，美國(guó)國(guó)土安全部曾多次“釣魚(yú)執(zhí)法”，逮捕所謂試圖違規(guī)購(gòu)買(mǎi)碳纖維的中國(guó)商人[19]。這一階段涉及到的卡脖子技術(shù)較多，舉例如下。

1）預(yù)氧絲的制備。預(yù)氧化的目的是將熱塑性PAN線(xiàn)形鏈結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為耐熱的梯形結(jié)構(gòu)，使其在碳化時(shí)熱力學(xué)穩(wěn)定，保持纖維態(tài)，該過(guò)程包括復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。預(yù)氧化的溫度需控制在PAN聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熱裂解溫度之間，在此過(guò)程中，需要根據(jù)重量配比加入多種穩(wěn)定劑，如路易斯酸、有機(jī)金屬絡(luò)合物鹽等?，F(xiàn)有研究已表明，氧氣在PAN纖維預(yù)氧化中起著重要的作用[20]，且在設(shè)定工藝和運(yùn)行參數(shù)時(shí)需要考慮給予PAN原絲高溫預(yù)牽伸所需的張力[21]，操作復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高?？梢哉f(shuō)，預(yù)氧化過(guò)程是碳纖維制備耗能最多、花費(fèi)最多、耗時(shí)最長(zhǎng)的工藝過(guò)程[22]。

2）碳化過(guò)程。在碳化過(guò)程中，耐熱的PAN預(yù)氧絲主要結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，較小的梯形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步交聯(lián)、縮聚，非碳元素在高溫下被逐步排出，碳逐漸富集，最終形成亂層石墨結(jié)構(gòu)。中科院化學(xué)所的系列研究表明，碳纖維材料的高模量主要來(lái)源于石墨晶體的重新排列，高強(qiáng)度則主要來(lái)源于石墨片之間的連接，但目前碳纖維的機(jī)械性能與其微缺陷融合和形狀之間的關(guān)系尚不清楚[5]。碳化時(shí)間一般僅為幾分鐘。就目前的封鎖及發(fā)展情況來(lái)看，關(guān)鍵設(shè)備“碳化爐”是碳纖維生產(chǎn)中最為核心和關(guān)鍵的設(shè)備，其穩(wěn)定性、可靠性和連續(xù)性影響著生產(chǎn)的運(yùn)行和最終產(chǎn)品的性能。例如，對(duì)于百?lài)嵓?jí)碳纖維生產(chǎn)，碳化爐爐口寬度需在1 m以上，且需配套非接觸式迷宮密封裝置、導(dǎo)排熱解廢氣的排除系統(tǒng)以及張力適度的牽伸系統(tǒng)。而目前國(guó)內(nèi)在此方面的技術(shù)儲(chǔ)備不夠，只能?chē)?guó)產(chǎn)化較小的設(shè)備，國(guó)外高端碳化裝備（包括石墨化爐③碳含量超過(guò)99%的碳纖維稱(chēng)為石墨纖維，制備石墨纖維需要石墨化爐，石墨化爐溫度可達(dá)2800℃以上，石墨化時(shí)間一般僅為幾秒到數(shù)十秒。及爐體原材料）實(shí)行封鎖，生產(chǎn)研發(fā)難度大。

（3）下游：PAN基碳纖維復(fù)合材料及產(chǎn)品成型加工。碳纖維材料與樹(shù)脂、陶瓷等復(fù)合，經(jīng)各種成型工藝后得到最終產(chǎn)品。碳纖維從預(yù)浸料到最終產(chǎn)品，需要利用各種相適宜的成型工藝進(jìn)行加工。常用的成型工藝有噴射成型（汽車(chē)車(chē)身、船體、儲(chǔ)罐過(guò)渡層層體）、纏繞成型（圓柱體、球體、筒形）、樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑成型（飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)件如艙門(mén)、檢查口蓋）、模壓成型、注塑成型（汽車(chē)輕量化）、熱壓罐成型（軍用運(yùn)輸箱等）、真空導(dǎo)入（船艇方向舵、雷達(dá)屏蔽罩、風(fēng)電葉片、機(jī)艙罩、汽車(chē)車(chē)頂、擋風(fēng)板、車(chē)廂等）、層壓成型（板材）、拉擠成型（型材）等[23]。傳統(tǒng)成型過(guò)程中存在增韌組分不均勻、纖維磨損、強(qiáng)度損失等問(wèn)題，對(duì)碳纖維復(fù)材制備技術(shù)與設(shè)備要求高。中科院化學(xué)所基于已有研究基礎(chǔ)，研制成功了發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料殼體、專(zhuān)用筒體、專(zhuān)用線(xiàn)軸等產(chǎn)品[24]。目前，國(guó)內(nèi)大型復(fù)材整體成型技術(shù)與設(shè)備與國(guó)外尤其是美國(guó)存在代差，因此相應(yīng)的復(fù)材應(yīng)用程度較低。而這將繼續(xù)拉大我國(guó)與國(guó)外碳纖維復(fù)合材料技術(shù)研發(fā)及其在裝備性能方面的差距。

總而言之，無(wú)論是與日本還是與復(fù)合材料強(qiáng)國(guó)美國(guó)對(duì)比，目前國(guó)產(chǎn)碳纖維在核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化水平的穩(wěn)定性上均有不小的差距，從制造的全流程來(lái)看，基礎(chǔ)知識(shí)積累、核心設(shè)備、核心工藝等方面均是制約因素。碳纖維整個(gè)制造流程上下游工序之間聯(lián)系緊密，生產(chǎn)過(guò)程中每一步操作帶來(lái)的缺陷都將遺傳至下一步直至最終成品，其上游工序是下游工序的基礎(chǔ)，上游的輸出即為下游的輸入，上游工序的完成質(zhì)量直接影響下游直至最終產(chǎn)品的應(yīng)用[25]。碳纖維材料的制造流程是多工序協(xié)同、遞進(jìn)、集成的復(fù)雜系統(tǒng)。

4 高性能碳纖維制造的工程屬性分析

從對(duì)碳纖維制造全流程的分析可以看出，碳纖維制造具有工程的集成性特征。碳纖維制造全流程涉及化學(xué)與化工知識(shí)的積累、基礎(chǔ)工藝、自動(dòng)化設(shè)備等，需要集成多領(lǐng)域技術(shù)和知識(shí)以解決單個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的問(wèn)題。僅從歷年來(lái)工信部發(fā)布的《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南》④文獻(xiàn)來(lái)源：《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2015年）》（http://www.gov.cn/xinwen/2015-11/18/content_5013935.htm）、《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南（2017年）》（http://www.gov.cn/xinwen/2017-10/30/content_5235348.htm）。就可以看出，高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)包括但不限于：碳纖維原絲、預(yù)氧化絲、碳化等一體化研發(fā)技術(shù)；預(yù)氧化爐、大型碳化爐等裝備關(guān)鍵技術(shù)；千噸級(jí)裝備穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)；碳纖維高強(qiáng)高模系列品種開(kāi)發(fā)技術(shù)；高穩(wěn)定化干噴濕法紡絲及高倍牽伸工藝；干噴濕紡碳纖維表面處理技術(shù)及與不同樹(shù)脂基體、不同復(fù)合材料成型工藝相匹配的系列化油劑和上漿劑；干噴濕法紡高性能碳纖維技術(shù)；快速均質(zhì)預(yù)氧化技術(shù)和高效節(jié)能預(yù)氧化碳化裝備等等。以碳纖維為代表的重大工程關(guān)鍵材料“卡脖子”問(wèn)題的解決，需要不同領(lǐng)域的專(zhuān)家匯聚在統(tǒng)一的工程組織內(nèi)，便于技術(shù)的融合，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。高性能碳纖維的攻關(guān)體現(xiàn)了工程的集成性，涉及跨組織的活動(dòng)、緊密合作、技術(shù)互動(dòng)，以促進(jìn)知識(shí)的整合。

碳纖維材料的制造具有顯著的系統(tǒng)性和連續(xù)性。碳纖維材料需從原絲的聚合單體開(kāi)始，實(shí)現(xiàn)一條龍生產(chǎn)，全過(guò)程連續(xù)進(jìn)行，任何一道工序出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響穩(wěn)定生產(chǎn)和碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。從現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)研發(fā)與生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)歷可以看出，參與一線(xiàn)攻關(guān)的專(zhuān)家認(rèn)為把碳纖維研究從技術(shù)推動(dòng)變成需求牽引的“一條龍”項(xiàng)目管理流程是成功的關(guān)鍵[26]。碳纖維及其復(fù)材的制造流程連續(xù)化程度高，且隨著自動(dòng)鋪疊技術(shù)、整體成型技術(shù)的發(fā)展，從設(shè)備機(jī)械的角度來(lái)看特殊制件、超大型制件均可實(shí)現(xiàn)，對(duì)碳纖維材料的“設(shè)計(jì)-性能-結(jié)構(gòu)”之間關(guān)系的研究就愈發(fā)重要起來(lái)。碳纖維從業(yè)人員需要對(duì)復(fù)合材料工藝有足夠的理解與創(chuàng)新，需要對(duì)碳纖維制造流程進(jìn)行系統(tǒng)性思考。在實(shí)踐中，可以借助流程工程學(xué)的研究方法和手段，對(duì)其制造全流程進(jìn)行綜合考慮，確定相應(yīng)的工藝條件和參數(shù)。

先進(jìn)材料可以催生新興行業(yè)。重大工程中的關(guān)鍵材料事關(guān)國(guó)家長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力，需要加強(qiáng)技術(shù)、人才儲(chǔ)備，建立協(xié)同平臺(tái)，加強(qiáng)核心產(chǎn)品和技術(shù)開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，積極研究新領(lǐng)域和新技術(shù)[27]。蔣士成院士提出了圍繞三個(gè)方向加快高性能纖維發(fā)展的建議，其中第一條強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)功能一體化，第三條強(qiáng)調(diào)了生產(chǎn)加工體系自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化[28]。通過(guò)提升關(guān)鍵材料制造水平，也將輻射帶動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展和機(jī)械制造自動(dòng)化、智能化。采用流程工程學(xué)來(lái)分析其完整制造流程的運(yùn)行規(guī)律和本質(zhì)特征，將有助于實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料“卡脖子”技術(shù)的突破、降本增效以及相關(guān)制造業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)[29]。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)碳纖維材料產(chǎn)業(yè)熱火朝天，生產(chǎn)企業(yè)漸具規(guī)模，產(chǎn)能數(shù)據(jù)逐年提高，部分高性能PAN基碳纖維生產(chǎn)技術(shù)逐漸接近國(guó)際領(lǐng)先水平，初步滿(mǎn)足了國(guó)防軍工的需求。但因碳纖維制造全流程中存在不少“卡脖子”的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)碳纖維材料有效供應(yīng)量較低，無(wú)論是高端還是通用型產(chǎn)品尚無(wú)法完全滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求。從碳纖維的制造流程來(lái)看，上游高性能原絲的合成及紡絲，中游原絲預(yù)氧化、碳化及碳化爐核心設(shè)備，以及下游復(fù)合材料成型工藝存在的問(wèn)題不同程度地限制了國(guó)內(nèi)碳纖維材料的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

隨著汽車(chē)、建筑修補(bǔ)等的輕量化、風(fēng)電等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用拓展，國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的需求將快速提升，可以想見(jiàn)，其規(guī)模化生產(chǎn)的突破將真正觸發(fā)碳纖維及其復(fù)材的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化。工程實(shí)踐與研究表明，碳纖維制造是多學(xué)科、多技術(shù)的集成，具有典型的工程屬性，對(duì)于類(lèi)似高性能碳纖維這樣的重大工程中的關(guān)鍵材料，建議采用工程思維對(duì)其制造的全流程進(jìn)行流程工程學(xué)研究，協(xié)同攻關(guān)，以解決生產(chǎn)制造流程中的問(wèn)題和難點(diǎn)，提升關(guān)鍵材料制造水平，輻射帶動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展，推動(dòng)機(jī)械制造自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型。

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Analysis of the Development of High-Performance Carbon Fiber Materials from the Engineering Perspective

Che Jing

（Research and Development Office, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China）

High-performance carbon fiber has superior physical and chemical properties, and as a kind of national strategic resource, it is a key material in major projects such as aerospace. Because of the international blockade and limited level of domestic production, carbon fiber materials are currently unable to meet the domestic market and strategic needs. First, this article introduces the development of high-performance carbon fibers. The manufacturing process of high-performance carbon fiber materials was analyzed based on engineering science knowledge, and the key problem in the entire process was determined. It is believed that for key materials such as high-performance carbon fiber in major projects, engineering thinking should be used to conduct process engineering research on the entire manufacturing process. It is possible to promote the development of related basic disciplines and mechanical manufacturing automation and intelligence by improving the level of key material manufacturing.

high-performance carbon fiber; strategic materials; engineering thinking; process engineering

TB3

A

1674-4969(2020)06-0556-08

10.3724/SP.J.1224.2020.00556

2020–10–11;

2020–11–11

車(chē) 晶（1987–），女，博士，工程師，研究方向?yàn)椴牧蠈W(xué)。E-mail：chejing@ucas.ac.cn