材料中的黃金！被美日「卡脖子」的碳纖維，我國是如何突破的？

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文 | 文淵的歷史書

編輯 |文淵的歷史書

前言（被美日卡脖子的碳纖維）

2013年，一位中國體育器材商人因去美國試圖購買碳纖維原料而被美國法院判處有期徒刑5年，而當時的碳纖維則是被美國和日本嚴格把控，禁止向中國出口的一種材料。

所以這種材料一度被稱為「黑黃金」，它既可以用於航天航空，也可用於超級跑車，甚至現已普及到日常生活用品，就比如說我們經常使用的手機殼。

但是誰又能想到在幾十年前的中國，碳纖維還是聞所未聞的稀有材料，由於西方國家的長達40年的技術封鎖，中國的碳纖維產業一度陷入困境。

甚至西方國家還不斷嘲笑我國永遠造不出來，那麼，碳纖維為何是材料中的黃金？我國又是如何突破重圍，實現碳纖維產業的騰飛的呢？

被冷落了幾十年的碳纖維

再次進入人們的視野

19世紀末，愛迪生在試驗改良燈泡的時候，曾嘗試過多種材料作為燈絲。

出於好奇心的驅使，他把竹子、亞麻、棉紗等天然植物纖維進行了炭化處理，意外得到了一種新奇的材料，也就是現在人們熟知的碳纖維。

這的確是一個完全偶然的發現，然而，由於當時在材料製備工藝方面的條件限制，愛迪生做出的碳纖維強度非常有限，脆性也比較大。

作為燈絲來說，其性能距離實用還有很大差距，所以這一重要發明並沒有引起足夠的重視，隨後就被擱置了幾十年時間。

直到20世紀50年代，隨着航天技術的進步，各國科研人員對新材料的需求量激增。

他們迫切需要一種既輕量化又高強度的新型材料來實現更先進的航天工程。

這一次，曾被冷落了幾十年的碳纖維重新進入到材料科學家的視野，在工業製造水平顯著提高的背景下，這一代碳纖維的各項性能指標都得到了極大的改善與提升。

比如說與金屬材料相比，同體積的碳纖維重量只有鋼的1/4和鋁的1/2，但它的抗拉強度卻達到了3500兆帕，是鋼的6-7倍，也遠超過鋁合金。

除此之外，碳纖維在高溫下的抗熱性，低溫下的斷裂韌性，抵抗腐蝕的能力以及熱脹冷縮性能等都非常出色。

可以說，這是當時材料界的一大革新，一個真正的「新材料」誕生了。

而碳纖維之所以貴重，源自其非凡的製造工，想要提取純凈的碳元素並製成纖維，需要經過提取、凈化、紡織、編織等多個工序。

每個工序都要求極高的精準度，稍有不慎就會使碳纖維失去應有的性能，更難能可貴的是，即便製造成功，三成以上的碳纖維也會在質檢中被直接報廢。

正因如此，即便目前碳纖維製造技術已日趨成熟，製造一個高品質的碳纖維產品仍是難上加難。

正因製造艱辛，碳纖維的價格不菲，以航空級碳纖維為例，每公斤的價格高達上萬元人民幣。

這已經是在製造技術日漸成熟的今天，早期碳纖維的價格更是「天文數字」。

相比其他金屬材料，碳纖維的價格往往要昂貴十倍以上。

高昂的價格並未阻擋碳纖維在特殊領域的應用，如航空航天、軍工等，這得益於碳纖維的優異性能。

它擁有金屬所不具備的高強度、高模量、低密度等特點，這使其可以製作成輕巧而堅固的材料，大幅減輕機身重量的同時提高強度。

隨着工藝成熟，碳纖維也逐步應用於民用領域，許多高端跑車、賽車的外殼都採用了碳纖維材料，同樣是為了減重增加速度。

甚至我們日常使用的球拍、輪椅、假肢也加入了碳纖維成分，這都得益於碳纖維輕量化的性能。

就是如此重要的碳纖維，在上個世紀一度被美日聯合壟斷，長達40年之久。

被美日卡住脖子

20世紀中期，隨着航空航天、國防軍工等高端領域的快速發展，對高強度、高模量的先進材料需求日益增長。

碳纖維憑藉其低密度、高強度、高剛性等優異性能，迅速成為各國競相追逐的前沿戰略材料。

1950年，美國聯合碳化公司啟動了碳纖維的研發工作，通過不斷探索，聯合碳化公司於1960年實現了碳纖維的工業化生產，成為全球第一家掌握碳纖維生產核心技術的企業。

與此同時，日本東麗公司也緊隨其後，開始開展碳纖維技術的自主研究，經過持續努力，日本企業也取得重大進展，實現了碳纖維的量產和商業化應用。

美日兩國在獲得碳纖維核心技術後，進一步加強了合作，迅速佔領市場，兩國聯手一度壟斷了全球70%以上的碳纖維產能。

為進一步鞏固壟斷地位，美日將高端碳纖維列為管制物資，嚴格控制向中國等第三世界國家的出口。

碳纖維被列入禁運目錄，我國只能從二手市場獲得性能較差的碳纖維產品，嚴重依賴碳纖維的進口。

隨着時間的推移，情況出現逆轉的契機。

上世紀70年代，日本東麗公司選擇創新性地使用聚丙烯腈作為原料，生產出性能更優異的碳纖維產品，而美國公司的原材料選擇的則是傳統原材料--瀝青。

日本這一技術突破直接衝擊了沿用傳統技術的美國聯合碳化公司，迫使其喪失了市場主導地位。

與此同時，聯合碳化公司在印度發生特大化學品泄漏事故，造成數萬人死亡，公司聲譽受到重創。

在雙重打擊下，東麗公司迅速崛起成為碳纖維領域的新領軍企業。

相比之下，中國的碳纖維研究起步較晚，上世紀60年代，中國科學院材料所的李人元院士等科學家已經意識到碳纖維的應用前景和重要性。

中科院啟動了碳纖維材料的前期研究，但長期處於封閉狀態，無法獲得核心技術，碳纖維技術並未取得實質性進展。

中國碳纖維技術

從追趕到領先

作為一種高新材料，碳纖維具有強度高、密度小、抗腐蝕、導電導熱性能好等優點，在航空航天、國防軍工等高端領域有着廣闊的應用前景。

為搶佔這一戰略性新材料的先機，我國成立了專門的研究機構，組建了由材料學家和工程技術人員組成的課題組，進行碳纖維製備技術的基礎研究。

到了80年代的時候，我國已初步掌握了碳纖維的工業化生產，出現了數十家不同規模的碳纖維生產企業。

但多採用國外淘汰的低端技術，依然無法突破國外企業的技術壁壘，當時我國生產的碳纖維處於低端水平，只能用於民用部門，高端市場仍需依賴進口。

而且我國碳纖維企業面臨著激烈的國際競爭，生存空間十分有限，為改變這一局面，90年代開始，我國加大了對碳纖維核心技術的攻關力度。

許多企業與高校聯合開展產學研合作，期待能取得突破性進展。

進入21世紀，隨着中國工業化進程的加速，碳纖維行業迎來發展機遇。

2002年，國家成立碳纖維技術研發小組，獲得1億元研發資金支持，但由於與國際先進技術差距過大，研發進展緩慢。

沒想到，山東一家小型漁具企業光威集團，在自主研發過程中意外取得關鍵技術進展，生產出性能達到國際先進標準的碳纖維。

光威集團創始人陳光威出資支持研發，並在2005年實現批量生產，這為中國擺脫長期技術依賴提供了難得機遇。

在各方努力下，中國科研團隊成功突破了T800級碳纖維的製備技術。

首次實現了對進口產品的替代，打破了以美日企業為代表的國外企業在中高端碳纖維市場的長期壟斷。

T800級碳纖維製備技術的突破也意味着我國碳纖維生產進入到一個新的階段。

自此之後，我國碳纖維產業開始快速崛起，2018年，我國實現了從12K小絲束到48K大絲束的跨越，進一步提高了碳纖維的力學性能。

2019年，我國科學院繼續取得關鍵核心技術突破，實現了T1000級碳纖維的製備，性能達到國際先進水平，同時開發出聚丙烯腈基新型中空碳纖維。

在這些技術支撐下，在產能方面，我國也取得長足進步，碳纖維生產線不斷增多，2021年我國建成全球最大的碳纖維生產基地，一些大型企業的單廠年產能已經突破萬噸大關。

當前，在政府扶持和企業努力下，我國已成為世界第二大碳纖維產能國，技術水平位居前三。

我國碳纖維產業已經擺脫過去「跟隨」的局面，開始與國際先進企業「並駕齊驅」。

儘管距離世界頂級仍有一定差距，但中國企業正以「追趕式」發展，快速縮小差距。

就連日美已經能生產更先進的T1200碳纖維，我國也再上一年實現了突破，而且我國企業密切跟蹤前沿技術，相信通過持續創新，達到世界一流水平只是時間問題。

隨着航空航天、新能源汽車等戰略新興產業的快速發展，我國碳纖維市場潛力巨大，這為碳纖維產業提供了廣闊的發展空間。

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