热点关注·瞭望丨碳纤维奋起第三极
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我国已实现多个系列碳纤维国产化，成为继日美后第三个掌握该技术的国家。虽然已打破国外封锁，但行业面临基础研究不足和产业发展失序问题。国产碳纤维在产业化、规模化上有所进展，但与国际巨头在成本和品质上仍有差距。碳纤维企业需要加大技术、资金、人才投入，稳质降本，并关注产业链安全，确保产业持续发展。
来源：2023-02-03 瞭望 2023年第6期◇我国目前已实现多个系列和级别的碳纤维国产化，解决了高性能碳纤维自主保障问题，成为继日本、美国之后第三个掌握高性能碳纤维技术的国家◇国产碳纤维击破国外技术、装备、产品三重封锁，实现从无到有、摆脱受制于人的背后，可以看到我国科研力量和工业力量的长期积累，也能观察到举国 体制的强大优势◇2021年以来，碳纤维企业生意红火、利润攀升，而且资本青睐、融资不断。但在多位业内人士眼中，碳纤维行业仍然存在基础研究、产业发展失序的隐患在吉林化纤集团国兴碳纤维公司生产车间内，工人整理碳纤维原丝（2022 年 10 月 31 日摄） 颜麟蕴摄 / 本刊作为一名跟碳纤维交手36年的“材料人”，徐樑华欣慰的是：“碳纤维从‘卡脖子’的新材料清单上初步撤了出来。”这位北京化工大学材料科学与工程学院教授、国家碳纤维工程技术研究中心主任告诉《瞭望》新闻周刊，我国目前已实现多个系列和级别的碳纤维国产化，解决了高性能碳纤维自主保障问题，成为继日本、美国之后第三个掌握高性能碳纤维技术的国家。被称为“新材料之王”的碳纤维，是国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料。尤其对制造业而言，它既是需要着重解决的量大面广的先进基础材料，又是制约发展的关键战略材料，上下游产业链对重构我国新材料产业体系极为重要。国产碳纤维击破国外技术、装备、产品三重封锁，实现从无到有、摆脱受制于人的背后，可以看到我国科研力量和工业力量的长期积累，也能观察到举 国体制的强大优势。碳纤维自强进击的故事，在国家强调产业安全自主可控的今天格外耐人寻味——工信部2018年对全国30多家大型企业130多种关键基础材料的调研结果显示，32%的关键材料仍为空白，52%依赖进口。踏破铁鞋得来的碳纤维繁荣，如何让技术先行的旗帜持续高高飘扬？以碳纤维为代表的中国新材料，又如何构建更好的产业创新生态，确保未来产业安全和国际竞争优势？中国第一汽车集团有限公司与中国航天科技集团有限公司共同自主研发的具有高强度碳纤维车身的国产雪车。图为一汽研发国产雪车车间（2022 年1月20日摄） 张建摄 / 本刊在很多人的印象中，碳纤维性能神奇、价格昂贵，是一种“神坛”上的材料。这种含碳量大于92%的纤维材料，兼具碳材料的强抗拉力和纺织纤维材料的柔软可加工性，由聚丙烯腈纤维、黏胶纤维、沥青纤维等有机纤维在高温下碳化制得。碳纤维细如发丝、轻若鸿毛。其直径大概5～7微米，十来根合在一起才有一根头发丝粗；并且密度仅有钢的1/5、钛的2/5、铝的3/5，具有轻质特性。纤细轻量的碳纤维，同时又强如钢铁。一束标准12K（1K表示一束碳纤维丝中含有1000根原丝）聚丙烯腈基碳纤维，可承受约130公斤重量。特别是在3000摄氏度的无氧高温下，别的纤维早已化为灰烬，碳纤维却安然无恙。碳纤维优异的力学性能，加上耐腐蚀、抗氧化、不生锈等诸多令其他材料望尘莫及的能力，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中构成复合材料，是当之无愧的新一代增强纤维之王。碳纤维在国内的首个市场化应用是1972年上市的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用向高端工业制造和尖端科技领域拓展，目前在航空航天、风电叶片、燃料电池、体育休闲等广阔领域均大显身手。按照纤维丝束大小分类，碳纤维可分为小丝束（≤24K）和大丝束（>24K）两类。小丝束生产工艺控制难度大、价格较高，通常用于国防军工、航空航天领域。大丝束生产成本低、性价比高，主要用于清洁能源、建筑工程等工业民用领域。在山东大学高分子材料研究所所长、碳纤维资深专家朱波看来，碳纤维是一种有“天资”的材料：“大家都说21世纪是碳的时代，碳纤维首当其任。在某种意义上，碳纤维将是第四次工业革命的重要支撑材料之一。在即将到来的星际航行、清洁能源和人工智能时代，碳纤维和碳纤维复合材料将发挥越来越重要的作用。”外表纤细、用途广大的碳纤维，其研发制备却异常艰难。据朱波介绍，碳纤维装备技术集材料学、化学、纺织学、机械自动化等多个学科为一体且高度交叉，是极其复杂的系统工程。从原辅料的质量，到原丝及碳化的各个工序，都蕴含有大量的基础研究、工艺及装备等“卡脖子”技术。仅以制备为例，其流程就包括上百个细分工序，涉及两千多个控制参数，每个控制点的参数变化都可能引起连锁反应，进而导致产品质量波动，甚至功亏一篑。原丝质量决定碳纤维性能。朱波说，碳纤维的性能严重依赖于原丝的微观结构形态及原子序列规整性，如果原丝的分子结构和聚集态结构存在缺陷，对碳纤维的质量和性能影响巨大。更严苛的是，要保证原丝性能稳定，需要确保每一根丝质量过关。“以一束标准12K的碳纤维为例，其12000根丝都得质量可靠。只有不断摸索、不断试验，才能找出相对科学合理的工艺组合。没有千锤百炼的功夫，做不出高性能碳纤维。”朱波说。繁难的制备工艺，让碳纤维成为一道横亘在材料学人面前的“天堑”。垄断相关技术的日美两国，对碳纤维实施严格的专利保护和全面的技术封锁。“通知性涨价、赏赐性供给”，是彼时国际碳纤维市场的写照。中国就是在日美对碳纤维技术、装备、产品三封锁的情况下，改变了全球碳纤维格局——2005年，光威复材（光威集团旗下威海光威复合材料股份有限公司，下称光威）研制的CCF-1级（相当于日本东丽的T300级碳纤维，T指高强型碳纤维，后面的数字越高表明强度越好）碳纤维通过国家“863计划”碳纤维专项验收，标志着我国摸索出一条成功的技术路线，首次拥有了自己的产业化碳纤维。此后，国产化的碳纤维一路猛进、放量建设，谋求“从无到有”后“从小到大”的跃升。据广州赛奥发布的《2021全球碳纤维复合材料市场报告》，2021年国内碳纤维运行产能6.34万吨，占全球总产能20.76万吨的30.5%。同时，我国首次超越美国成为全球碳纤维最大产能国。在此之前，我国的碳纤维研究藉藉无名，经历了漫长的徘徊。徐樑华就是在国内碳纤维研究的低谷期接触碳纤维的。“那是1986年，距离我国启动PAN基碳纤维研制已经十几年。”PAN基碳纤维又叫聚丙烯腈碳纤维，是碳纤维的主要品种，产量占碳纤维总量的90%以上。在徐樑华看来，我国研制PAN基碳纤维基本与国外同步，应该说起步差距并不大，底子也不薄，但直到2000年，国内对PAN基碳纤维的制备技术依然久攻不下，甚至与国外的差距还在拉大。“而碳纤维的市场需求又非常迫切，处于想用却供不上的尴尬局面。”徐樑华认为，长期的徘徊背后，有科技投入较少、条块分割障碍、技术积累不够等诸多因素，但最关键的，在于材料界对碳纤维从认知到科研的力量都比较欠缺，未能找到国产化的主流技术。“再往根上说，就是缺少基础研究。”徐樑华解释说，我国在上世纪基本谈不上有碳纤维的基础研究。“企业自不必说，高校和科研院所也大多把精力花在解决企业的工程问题上，对核心的基础研究欠缺关注。直到上世纪90年代中，大家发现单纯埋头技术研发有问题，才开始回到基础研究、往基础上走。”以原丝制备这一PAN基碳纤维的技术关键为例，据徐樑华介绍，当时国内已拥有二甲基亚砜法的制备技术，但在结构领域用碳纤维制备方面没有发挥出作用。“这说明我们没有吃透技术，再说到底，是我们在基础研究上下的功夫不够、积累不够、功力不够。”徐樑华带领团队转身瞄准基础研究。“我们大概做了两三年的基础研究，把碳纤维看作高分子材料，回归到基础的科学问题，遵循高分子材料的客观规律，将复杂问题简单化。从那以后，我们就找对了方向，快速发展起来。”徐樑华说。2000年，徐樑华团队成功突破国内PAN基碳纤维原丝工艺的主流技术——二甲基亚砜法新工艺。“我们在实验室阶段突破的这一技术，尽管工艺有些粗糙，但为解决结构材料用国产高性能碳纤维的‘有无’问题奠定了技术基础。”基础研究迈过至暗时刻后，碳纤维的工程化研究提上日程。在科研创新链上，科技成果从实验室到产业化之间有一个至关重要的工程化环节，着力解决贯通实验室工艺获得试验品、能否量产等问题。其中，号称“死亡之谷”的中试是工程化的关键环节。“业内有一个1∶10∶100的说法，就是说如果科研阶段解决1个问题，中试阶段就要解决10个问题，工业化阶段则要解决100个问题。”朱波说。他解释说，在科学研究中，如果解决了一个技术难题或理论推导，就可以说是突破甚至是重大突破，而中试里有很多琐碎的技术问题需要一一解决，稍有不慎即可能半途而废。“这一环节，科学家往前走往往走不动，企业家往后退也常常退不得，这个阶段非常苦、非常难，往往需要国家政策、资金的助力，国家平台支撑至关重要。”碳纤维打通工程化的艰难路径，与得到国家“863计划”等的支持息息相关。2001年，彼时83岁的战略科学家、两院院士师昌绪，上书党中央推动将此列为国家“863”专项，并领导碳纤维的发展。2002年，国家“863计划”碳纤维专项正式启动，投入1亿元研发资金。此后，国家自然科学基金也对碳纤维给予经费支持。“中国碳纤维关键技术攻关由此获得动能。”徐樑华说。徐樑华当时还担任科技部设立的碳纤维关键技术专项专家小组副组长。据他介绍，“十五”期间，在国家“863计划”碳纤维专项主导下，我国形成了北京化工大学、中国科学院山西煤炭化学研究所（下称中科院山西煤化所）、山东大学三个相对集中的研发基地，建立了若干高水平碳纤维和复合材料的研究研制平台。“碳纤维研发开始作为大协同的技术体系展开研究，打破了各自为战局面。”徐樑华说，从2005年第一款高性能碳纤维的工程化开始，当时的国防科工委（现国家国防科技工业局）首次使用从技术推动变成需求牵引的一条龙项目管理流程。以往材料研究者做研究，多从研究本身出发，把材料做出来，能发文章、能有专利就完事，就可以评职称、获奖项、拿“帽子”，不用考虑规模化和工程化这些用户在意的事情。需求牵引则不同，研发人员需要站在应用的角度审视碳纤维的制备，要研究到用。“这就深刻改变了研发人员的思维和理念。因为研制生产碳纤维说到底是为了某一领域的应用，没研究到用等于白研究。理念一变，思路大变。该模式示范意义很大，此后国内关键材料也都采用这一模式。”徐樑华说。“863计划”碳纤维专项摒弃国有、民营等门户之见，以公平竞争的方式让评价排名领先者承担项目，是一大开创性做法。碳纤维领域赫赫有名的民营企业——光威由此崭露头角。光威复材董事长卢钊钧告诉记者，光威本是一家位于山东威海的鱼竿生产企业，得益于师昌绪倡导的抽样盲测法，加入到碳纤维的“国家队”。卢钊钧说，抽样盲测是一种后来被广泛采用的评比方法，它由专门组成的抽样专家小组到现场抽样，然后将样品统一编号，送到指定的第三方测试单位测试，测试单位并不知道样品来源。“正是凭借这种新型评价模式，光威靠优异的产品性能，评价排序领先入围‘863计划’碳纤维专项。”在全国一盘棋的项目管理策略下，参与院所和企业密切合作，相继突破PAN基碳纤维吨级试验线、百吨级中试线。“这宣告我国突破了国产T300级碳纤维核心技术，我国也成为世界上少数掌握高性能碳纤维工程化关键技术的国家之一。”卢钊钧说。接踵而至的，是国产碳纤维提高产量、提升品质的关键之战——产业化。卢钊钧说，如果把2005年干出来的T300级碳纤维比作车，那么它最多就是夏利，能开，但跟宝马不能比。更何况从夏利到宝马，中间还有大众等多种车，高性能碳纤维也有多个型号。“做出更好的产品很不容易。每一个高性能碳纤维产品的升级，无一不涉及关键技术的攻关、无一不涉及关键装备的突破。”以光威对标东丽T800级碳纤维的QZ5526为例，其制备难度较GQ3522陡然提高一个大台阶。“工艺技术先不说，光研发制备QZ5526必需的碳化炉，光威就投入上亿元资金、前后历时3年。”卢钊钧介绍。谈起当年的“烧钱”，卢钊钧心有余悸：“千吨生产线每开工一天，上百万就没了，见不到效果，钱就像打了水漂。几千万的设备，说不能用就不能用了，只能卖废铁。连光威的创始人陈光威都曾说，最考验企业家神经的，并不是他一下子投入了多少钱，而是当他连续投入巨额资金后，并没有看见产出，却依然还要继续每天‘烧钱’。”巨大的资金投入、漫长的回报周期，让光威的资金链几近断裂。“到2012年，银行已经不肯再给光威贷款。为了研发高性能碳纤维，光威不仅花光了多年的积累，还曾把所有渔具生产的厂房、设备，甚至订单全部抵押，才融到资金。”卢钊钧说。光威“九死一生”的碳纤维研发历程不是孤例。中复神鹰的张国良、恒宝股份的钱云宝等碳纤维领域知名企业家，都曾因攻关碳纤维备受煎熬，有的几乎耗尽家产。所幸，经过国内工业力量的奋发努力，我国终于构建了工业应用碳纤维的产业基础，形成了一批可以在市场上生存与发展的企业，且在相当程度上，实现了全面与系统的国产化，大部分技术已经进入自主研发与正向设计的较高水平。国际碳纤维价格应声“崩 盘”：大约在2009年到2014年这5年，T700这种工业级碳纤维的价格降到原来的1/3，高性能碳纤维价格降到以前的1/10。2021年以来，碳纤维企业生意红火、利润攀升，而且资本青睐、融资不断。但在多位业内人士眼中，碳纤维行业仍然存在基础研究、产业发展失序的隐患。我国已成为全球碳纤维最大产能国，但在高性能碳纤维市场，日本产量占据世界近50%。在产品质量上，我国已经能够生产T700级、T800级、T1000级等高性能产品，但商业化量产尚不多。这意味着，我国的碳纤维在产业化、规模化上没有问题，但在成本和品质稳定上与国际行业巨头仍有差距，亟需在技术、资金、人才上持续发力，实现稳质降本。徐樑华说：“国产碳纤维相对来讲成本还是偏高。成本高不单纯是经济问题，而是深层次的技术开发不足。比如产能没有释放、装备技术不过关、上浆剂占比高、纤维合格率低等等。高质量、低成本是可以通过合理的技术手段实现的。我们提出到2030年争取把碳纤维的价格做到10美元/公斤，实现这一目标还需要在技术上做很多事。”近年碳纤维的“美好时光”正在让一些企业放慢往日奋斗的步履。“很多企业仍在沿用10多年前的制备方法，技术升级的意愿和意识并不强烈。甚至可以说，早几年碳纤维生意不那么好的时候，企业多少还能静心做研究，这两年日子好过了，技术研发反而停顿下来。”徐樑华说。更让徐樑华忧心的是：“即便现在，我们碳纤维的基础研究力量合起来还赶不上国际上的技术龙头企业，甚至从事完整关键技术研究的力量还在萎缩。”朱波也感觉到这几年同行中的高手反而少了。在他看来，碳纤维技术进步的空间依然很大，远未到“天花板”。“一方面，搞碳纤维要舍得花钱。另一方面，也要选对人、选对团队。特别是要看积累和潜力、团队结构和人才梯队，进行滚动式、阶段性考核。”中科院山西煤化所研究员、碳纤维团队负责人张寿春告诉记者，碳纤维在当前的热度下，出现了一些低水平重复建设现象，不利于行业整体水平的提高。“国内碳纤维企业在核心技术、产品优势、产业链条布局、知识产权保护等方面仍有不足，未来面对充分市场竞争态势，尤其是与国际一流碳纤维企业竞争的情况下，可能出现综合实力、竞争力的不足。”卢钊钧说，2010年后，地方政府对碳纤维热情很高，民营企业的热度也很高，国内碳纤维生产线放量建设，最多时全国有40多家碳纤维企业。现在企业数量大大减少，但仍显拥挤。“碳纤维是战略性新材料，需要国家战略性布局。”徐樑华认为，中国的碳纤维尚未有足够的行业竞争力。“碳纤维及其复合材料的应用领域都是西方国家建立的，我国还没有原始创新拓展的应用领域。只有当我们开发出一个国外没有的、标志性的碳纤维应用市场时，行业才算真正有竞争力。”在这个意义上，多位受访专家建议脚踏实地解决前瞻性系统性问题，“从业者宜自问，一旦进口碳纤维能够畅通无阻进入，企业现有客户会不会流失？我们的技术还能不能占有一席之地？产业链的安全又是不是掌握在自己手中？”
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