絲絲束束，鋪就了高端化工產(chǎn)品的未來之路。

攝影/高衛(wèi)洪

三次突圍使碳纖維發(fā)展為炙手可熱的新材料產(chǎn)業(yè)，中國的碳纖維產(chǎn)業(yè)也在逐步走向高端。

這是一種從實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的神奇材料：它比鋼強(qiáng)、比鋁輕，直徑僅為頭發(fā)絲的1/10——它就是碳纖維。

從翱翔于藍(lán)天的飛機(jī)到地上跑的汽車、自行車，從體育運(yùn)動(dòng)者舞動(dòng)的球拍到大草原上畫出優(yōu)美圓圈的風(fēng)機(jī)葉片碳纖維這種神奇的材料正在展現(xiàn)更加“接地氣”的一面，飛入尋常百姓家。

俯瞰這種復(fù)合新材料的前世今生，它經(jīng)歷了三次突圍，最后迎來了產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。

從燈絲到航空航天部件

回望碳纖維的歷史，可上溯至1845年。美國辛辛那提的斯塔爾提出，可以在真空泡內(nèi)使用碳絲。在英國，科學(xué)家約瑟夫·斯旺按照這一思路，把一條條碳化紙做成燈絲，發(fā)現(xiàn)這種黑色纖維在電流作用下進(jìn)發(fā)光明1879年，愛迪生將椴樹內(nèi)皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等天然纖維定型后進(jìn)行高溫烘烤，得到了碳纖維。愛迪生發(fā)明的“白熾燈泡碳纖維長絲燈絲制造技術(shù)”于1892年獲得了美國專利。

愛迪生制得的纖維力學(xué)性能較低，在當(dāng)時(shí)也不能工業(yè)化，未能獲得大的發(fā)展。但是，金子總會閃光。碳纖維這種“工業(yè)黃金”也許注定要被寫入材料工業(yè)的重要?dú)v史。其發(fā)展沒有就此停滯于時(shí)間長河，在航空和軍工領(lǐng)域的迫切需求下，它最終打開了工業(yè)化的大門。

20世紀(jì)50年代，美國聯(lián)合碳化物公司開發(fā)出了黏膠基碳纖維“Thornel-25”。1959年，日本科學(xué)家近藤昭男以聚丙烯腈（PAN）為原料制備碳纖維的突破性技術(shù)，將碳纖維的強(qiáng)度提升了4倍，開創(chuàng)了碳纖維工業(yè)化的生產(chǎn)路徑。1971年，日本東麗公司建立了年產(chǎn)12噸的碳纖維生產(chǎn)線，開始生產(chǎn)T300（T代表拉伸強(qiáng)度等級，單位為MPa。T后面數(shù)字越大，表示拉伸強(qiáng)度越高，力學(xué)性能也越優(yōu)異）。

1973年，石油危機(jī)使得飛機(jī)迫切需要減重以減少燃料消耗，波音、空客等飛機(jī)制造商開始探索碳纖維復(fù)材的應(yīng)用。1982年，波音757和767以及航天飛機(jī)開始使用 τ₃₀₀ 碳纖維。

資料顯示，20世紀(jì)70年代中期，碳纖維復(fù)材在軍機(jī)尾翼的垂直尾翼、水平尾翼等部件開始逐步使用，之后在機(jī)翼、機(jī)身等主要受力構(gòu)件上使用碳纖維復(fù)材。根據(jù)《2023全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》，碳纖維復(fù)材在航空航天領(lǐng)域中，商用飛機(jī)應(yīng)用占主要份額，占比達(dá)到 36% ；軍用飛機(jī)應(yīng)用占比21% ；無人機(jī)應(yīng)用占比達(dá) 18% 0

在航空航天領(lǐng)域的帶動(dòng)下，始于燈絲這一應(yīng)用的碳纖維成功破局，迎來了發(fā)展史上的第一次突圍。

中國：從無到有到T1000

我國對碳纖維的研究始于20世紀(jì)60年代中期。1974年7月，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開始設(shè)計(jì)我國第一條碳纖維生產(chǎn)線。

國家集中20余家單位組建攻關(guān)組，在吉林化纖廠搭建實(shí)驗(yàn)線，第一條能生產(chǎn)百萬分之一米直徑的生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)起來了。當(dāng)時(shí)，這些勉強(qiáng)達(dá)到T200級別的初代產(chǎn)品，支撐了我國早期戰(zhàn)略裝備的試制。

由于碳纖維在軍工和航空航天領(lǐng)域的重要性，國外一直對碳纖維出口中國實(shí)施限制性政策，2020年還曾經(jīng)全面禁售，在很長一段時(shí)間內(nèi)卡住了中國國防和航空業(yè)的“脖子”。

國際上長期對碳纖維實(shí)施技術(shù)封鎖和許可證制度，使我國在該領(lǐng)域一度受制于人，國家意識到了這一點(diǎn)。

2001年，碳纖維304專項(xiàng)被納入國家“863計(jì)劃”。面對這一材料不能國產(chǎn)化的狀況，主抓材料攻堅(jiān)的中國科學(xué)院院士師昌緒曾說：“我們的國防太需要碳纖維了，不能只靠進(jìn)口！如果碳纖維搞不上去，國防航空被卡了脖子，拖了中國國防的后腿，我死不瞑目！”

經(jīng)過幾十年的努力，我國碳纖維已形成產(chǎn)業(yè)，技術(shù)也不斷推陳出新。2023年，中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會主持召開技術(shù)鑒定會，國產(chǎn)超高強(qiáng)ZA60XC（T1000級）PAN碳纖維千噸級工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)順利通過專家委員會的技術(shù)鑒定，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

國產(chǎn)碳纖維的每一次巨大的進(jìn)步，都在書寫歷史。數(shù)據(jù)顯示，2023年，我國碳纖維的運(yùn)行產(chǎn)能占全球的近五成、位居第一。如今，中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、吉林化纖、上海石化等企業(yè)已成為國內(nèi)領(lǐng)先的碳纖維生產(chǎn)商，與西格里、東麗、帝人、赫氏等全球知名碳纖維企業(yè)同臺競技。

中國碳纖維的入局和發(fā)展，形成了全球碳纖維產(chǎn)能和需求的高峰，讓這一新復(fù)合材料迎來了發(fā)展史上的第二次突圍。

奧運(yùn)火炬和風(fēng)機(jī)葉片

“自行車用一兩根手指就能抬起來，碳纖維材料真的神了！”在2019年11月舉辦的第二屆中國國際進(jìn)口博覽會上，品牌館的參觀者們對一款自行車嘖嘖贊嘆。

由上海石化采用國內(nèi)獨(dú)有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維材料制成的自行車、皮劃艇、齒輪等產(chǎn)品讓這種新材料成功打上了中國制造的標(biāo)簽。

放眼全球，1971年東麗公司建立12噸碳纖維生產(chǎn)線開始生產(chǎn)T300碳纖維，并于1972年推出第一個(gè)商業(yè)碳纖維復(fù)材產(chǎn)品魚竿后，球拍、儲氫瓶、風(fēng)機(jī)葉片、手機(jī)部件碳纖維在非航空航天領(lǐng)域揮灑下了濃墨重彩的大手筆。

在中國石化的決策部署下，上海石化于2008年11月建成中試裝置，2009年3月成功研制出12K原絲，2012年9月建成500噸碳纖維生產(chǎn)線。2018年3月，上海石化成功試制出了國內(nèi)真正意義上的48K大絲束碳纖維。

研發(fā)初期，面對無經(jīng)驗(yàn)可循、無先例可鑒的困境，工廠堅(jiān)持自主開展技術(shù)攻關(guān)。核心設(shè)備氧化爐、碳化爐，外商不提供關(guān)鍵的工藝說明書和操作流程圖，大家只能默默跟在安裝人員身后觀察，“盲猜”設(shè)備控制邏輯。

十多年來，研發(fā)人員黃翔宇、顧文蘭、李鵬、韓煒、張超峰、吳嵩義等一批攻關(guān)成員接續(xù)努力，“把青絲熬成了白發(fā)，將白絲煉成了黑絲”成為對這一研發(fā)故事的最佳注解。

近年來，上海石化小絲束、大絲束碳纖維作為新材料，成功應(yīng)用于冬奧火炬“飛揚(yáng)”外殼，成為世界首創(chuàng)；應(yīng)用于廣州高速地鐵列車的車頭罩，成為國內(nèi)首創(chuàng)；成功應(yīng)用于35兆帕氫氣瓶纏繞，又是國內(nèi)首創(chuàng)，彰顯了中國石化在碳纖維領(lǐng)域的擔(dān)當(dāng)和創(chuàng)新精神；上海石化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)的連續(xù)抽油桿性能優(yōu)良，可替代進(jìn)口。

從2007年至今，18年彈指一揮。上海石化大絲束碳纖維乘風(fēng)破浪，不斷取得新的進(jìn)展。

近日，上海石化先進(jìn)材料創(chuàng)新研究院總經(jīng)理沈偉表示，碳碳復(fù)合新材料在K-8300風(fēng)機(jī)葉輪技術(shù)風(fēng)機(jī)葉輪領(lǐng)域的應(yīng)用，成為公司碳纖維深化應(yīng)用的又一次創(chuàng)舉。

從世界到中國，非航空航天領(lǐng)域的帶動(dòng)，讓始于燈絲這一應(yīng)用的碳纖維再次拓展應(yīng)用領(lǐng)域，迎來了發(fā)展史上的第三次突圍。

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