材料中的黄金！被美日“卡脖子”的碳纤维，我国是如何突破的？

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文 | 文渊的历史书

编辑 |文渊的历史书

前言（被美日卡脖子的碳纤维）

2013年，一位中国体育器材商人因去美国试图购买碳纤维原料而被美国法院判处有期徒刑5年，而当时的碳纤维则是被美国和日本严格把控，禁止向中国出口的一种材料。

所以这种材料一度被称为“黑黄金”，它既可以用于航天航空，也可用于超级跑车，甚至现已普及到日常生活用品，就比如说我们经常使用的手机壳。

但是谁又能想到在几十年前的中国，碳纤维还是闻所未闻的稀有材料，由于西方国家的长达40年的技术封锁，中国的碳纤维产业一度陷入困境。

甚至西方国家还不断嘲笑我国永远造不出来，那么，碳纤维为何是材料中的黄金？我国又是如何突破重围，实现碳纤维产业的腾飞的呢？

被冷落了几十年的碳纤维

再次进入人们的视野

19世纪末，爱迪生在试验改良灯泡的时候，曾尝试过多种材料作为灯丝。

出于好奇心的驱使，他把竹子、亚麻、棉纱等天然植物纤维进行了炭化处理，意外得到了一种新奇的材料，也就是现在人们熟知的碳纤维。

这的确是一个完全偶然的发现，然而，由于当时在材料制备工艺方面的条件限制，爱迪生做出的碳纤维强度非常有限，脆性也比较大。

作为灯丝来说，其性能距离实用还有很大差距，所以这一重要发明并没有引起足够的重视，随后就被搁置了几十年时间。

直到20世纪50年代，随着航天技术的进步，各国科研人员对新材料的需求量激增。

他们迫切需要一种既轻量化又高强度的新型材料来实现更先进的航天工程。

这一次，曾被冷落了几十年的碳纤维重新进入到材料科学家的视野，在工业制造水平显著提高的背景下，这一代碳纤维的各项性能指标都得到了极大的改善与提升。

比如说与金属材料相比，同体积的碳纤维重量只有钢的1/4和铝的1/2，但它的抗拉强度却达到了3500兆帕，是钢的6-7倍，也远超过铝合金。

除此之外，碳纤维在高温下的抗热性，低温下的断裂韧性，抵抗腐蚀的能力以及热胀冷缩性能等都非常出色。

可以说，这是当时材料界的一大革新，一个真正的“新材料”诞生了。

而碳纤维之所以贵重，源自其非凡的制造工，想要提取纯净的碳元素并制成纤维，需要经过提取、净化、纺织、编织等多个工序。

每个工序都要求极高的精准度，稍有不慎就会使碳纤维失去应有的性能，更难能可贵的是，即便制造成功，三成以上的碳纤维也会在质检中被直接报废。

正因如此，即便目前碳纤维制造技术已日趋成熟，制造一个高品质的碳纤维产品仍是难上加难。

正因制造艰辛，碳纤维的价格不菲，以航空级碳纤维为例，每公斤的价格高达上万元人民币。

这已经是在制造技术日渐成熟的今天，早期碳纤维的价格更是“天文数字”。

相比其他金属材料，碳纤维的价格往往要昂贵十倍以上。

高昂的价格并未阻挡碳纤维在特殊领域的应用，如航空航天、军工等，这得益于碳纤维的优异性能。

它拥有金属所不具备的高强度、高模量、低密度等特点，这使其可以制作成轻巧而坚固的材料，大幅减轻机身重量的同时提高强度。

随着工艺成熟，碳纤维也逐步应用于民用领域，许多高端跑车、赛车的外壳都采用了碳纤维材料，同样是为了减重增加速度。

甚至我们日常使用的球拍、轮椅、假肢也加入了碳纤维成分，这都得益于碳纤维轻量化的性能。

就是如此重要的碳纤维，在上个世纪一度被美日联合垄断，长达40年之久。

被美日卡住脖子

20世纪中期，随着航空航天、国防军工等高端领域的快速发展，对高强度、高模量的先进材料需求日益增长。

碳纤维凭借其低密度、高强度、高刚性等优异性能，迅速成为各国竞相追逐的前沿战略材料。

1950年，美国联合碳化公司启动了碳纤维的研发工作，通过不断探索，联合碳化公司于1960年实现了碳纤维的工业化生产，成为全球第一家掌握碳纤维生产核心技术的企业。

与此同时，日本东丽公司也紧随其后，开始开展碳纤维技术的自主研究，经过持续努力，日本企业也取得重大进展，实现了碳纤维的量产和商业化应用。

美日两国在获得碳纤维核心技术后，进一步加强了合作，迅速占领市场，两国联手一度垄断了全球70%以上的碳纤维产能。

为进一步巩固垄断地位，美日将高端碳纤维列为管制物资，严格控制向中国等第三世界国家的出口。

碳纤维被列入禁运目录，我国只能从二手市场获得性能较差的碳纤维产品，严重依赖碳纤维的进口。

随着时间的推移，情况出现逆转的契机。

上世纪70年代，日本东丽公司选择创新性地使用聚丙烯腈作为原料，生产出性能更优异的碳纤维产品，而美国公司的原材料选择的则是传统原材料--沥青。

日本这一技术突破直接冲击了沿用传统技术的美国联合碳化公司，迫使其丧失了市场主导地位。

与此同时，联合碳化公司在印度发生特大化学品泄漏事故，造成数万人死亡，公司声誉受到重创。

在双重打击下，东丽公司迅速崛起成为碳纤维领域的新领军企业。

相比之下，中国的碳纤维研究起步较晚，上世纪60年代，中国科学院材料所的李人元院士等科学家已经意识到碳纤维的应用前景和重要性。

中科院启动了碳纤维材料的前期研究，但长期处于封闭状态，无法获得核心技术，碳纤维技术并未取得实质性进展。

中国碳纤维技术

从追赶到领先

作为一种高新材料，碳纤维具有强度高、密度小、抗腐蚀、导电导热性能好等优点，在航空航天、国防军工等高端领域有着广阔的应用前景。

为抢占这一战略性新材料的先机，我国成立了专门的研究机构，组建了由材料学家和工程技术人员组成的课题组，进行碳纤维制备技术的基础研究。

到了80年代的时候，我国已初步掌握了碳纤维的工业化生产，出现了数十家不同规模的碳纤维生产企业。

但多采用国外淘汰的低端技术，依然无法突破国外企业的技术壁垒，当时我国生产的碳纤维处于低端水平，只能用于民用部门，高端市场仍需依赖进口。

而且我国碳纤维企业面临着激烈的国际竞争，生存空间十分有限，为改变这一局面，90年代开始，我国加大了对碳纤维核心技术的攻关力度。

许多企业与高校联合开展产学研合作，期待能取得突破性进展。

进入21世纪，随着中国工业化进程的加速，碳纤维行业迎来发展机遇。

2002年，国家成立碳纤维技术研发小组，获得1亿元研发资金支持，但由于与国际先进技术差距过大，研发进展缓慢。

没想到，山东一家小型渔具企业光威集团，在自主研发过程中意外取得关键技术进展，生产出性能达到国际先进标准的碳纤维。

光威集团创始人陈光威出资支持研发，并在2005年实现批量生产，这为中国摆脱长期技术依赖提供了难得机遇。

在各方努力下，中国科研团队成功突破了T800级碳纤维的制备技术。

首次实现了对进口产品的替代，打破了以美日企业为代表的国外企业在中高端碳纤维市场的长期垄断。

T800级碳纤维制备技术的突破也意味着我国碳纤维生产进入到一个新的阶段。

自此之后，我国碳纤维产业开始快速崛起，2018年，我国实现了从12K小丝束到48K大丝束的跨越，进一步提高了碳纤维的力学性能。

2019年，我国科学院继续取得关键核心技术突破，实现了T1000级碳纤维的制备，性能达到国际先进水平，同时开发出聚丙烯腈基新型中空碳纤维。

在这些技术支撑下，在产能方面，我国也取得长足进步，碳纤维生产线不断增多，2021年我国建成全球最大的碳纤维生产基地，一些大型企业的单厂年产能已经突破万吨大关。

当前，在政府扶持和企业努力下，我国已成为世界第二大碳纤维产能国，技术水平位居前三。

我国碳纤维产业已经摆脱过去“跟随”的局面，开始与国际先进企业“并驾齐驱”。

尽管距离世界顶级仍有一定差距，但中国企业正以“追赶式”发展，快速缩小差距。

就连日美已经能生产更先进的T1200碳纤维，我国也再上一年实现了突破，而且我国企业密切跟踪前沿技术，相信通过持续创新，达到世界一流水平只是时间问题。

随着航空航天、新能源汽车等战略新兴产业的快速发展，我国碳纤维市场潜力巨大，这为碳纤维产业提供了广阔的发展空间。

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