发展ℱ从历史角度探寻碳纤维的发展历程
要说碳材料大家肯定会想到煤炭，但碳材料大家庭可不止煤炭一种。从石墨到金刚石、从碳纤维到碳纳米管、从富勒烯到石墨烯，碳材料大家庭可谓五彩缤纷，各行各业都有碳材料的应用。碳材料是人类最早利用的元素，人类对碳材料的利用伴随着人类文明史的发展。碳纤维作为新型碳材料，从世到现在已经有150多年了，近几年来更是受到投资者的关注。碳纤维已进入到人们生活的很多方面，小至碳手机壳，大至航天飞机，碳纤维身影随处可见。
碳纤维的技术一直被国外封锁，但是我国对碳纤维的研究也从没停止过。一直被国外封锁垄断的T800碳纤维在哈尔滨宣告实现了低成本国产化，其生产成本仅为国际价格的三分之一。在实现低端市场逐步替换国外产品的同时，在中高端市场上也打破了国外企业垄断。更可贵的是，国产T800型碳纤维在性能上完全不输于日本东丽公司的同类产品，而在局部技术参数上更是具有一定优势。虽然今日中国碳纤维产业正处于发展期，但也是经历了风风雨雨才有今天的成绩。
人们总想给重要的历史人物盘上高大上的故事，碳纤维的出场也不例外，那就是人尽皆是的爱迪生发明电灯泡。
1860年-1900年：碳纤维是如何诞生的
碳纤维最早诞生于美国，作为白炽灯的发光体诞生的。
英国化学家、物理学家约瑟夫·威尔森·斯万爵士(Sir Jo⁃seph Wilson Swan，1828—1914年)发明了以铂丝为发光体的白炽灯。为解决铂丝不耐热的问题，斯万使用碳化的细纸条代替铂丝。由于碳纸条在空气中很容易燃烧，斯万通过把灯泡抽成真空基本解决了这一问题。1860年斯万发明了一盏以碳纸条为发光体的半真空碳丝电灯，也就是白炽灯的原型。斯万发明的白炽灯比爱迪生(Thomas Alva Edison，1847—1931年)早了20年。由于当时真空技术不成熟，灯的寿命不长。19世纪70年代末，真空技术有了较大发展，斯万发明了更实用的白炽灯，并于1878年获得了白炽灯的专利权。
1879年，爱迪生把这专利买下来，发明了以碳纤维为发光体的白炽灯。1892年爱迪生发明的“白炽灯泡碳纤维长丝灯丝制造技术，获得了美国专利(专利号470925)。可以说，爱迪生发明了最早商业化的碳纤维。
1900年-1950年：碳纤维进入休眠期
尽管早期碳纤维获得了初步成功，但由于天然纤维制得的碳纤维几乎没有结构强力，制成产品的质量和可靠性都不佳，使用中很容易碎裂、折断，即便只是作为白炽灯的发光体，其耐用性也很不理想。早期的碳纤维灯丝，很快就被钨丝取代了。此后，碳纤维的研究停滞不前，进入了休眠期。
1950年-1960年：碳纤维工业化
直到20世纪50年代中期，美国空军需要寻找能够更加耐烧蚀的材料来制作航天飞机，以应对当时激烈的美苏激战。经过一系列的研究，最终发现了熔点在3600℃的材料，并取名为“碳纤维”。时隔50年之后，碳纤维再一次登上历史舞台。
与此同时，美国人威廉姆·F·阿博特(William F. Abbott)最先发明了提高碳纤维强力的方法，于1959年11月12日向美国专利局提出了“碳化纤维方法”。1962年9月11日，该申请获得了美国专利局的专利授权。自此，碳纤维重新进入人们视野，并逐渐形成工业化和商业化。
1960年：聚丙烯腈工艺的发现
碳纤维性能得以跨越式提升的原因，就是发明了更好的聚丙烯腈纤维。日本的科学家们最先研发出了纯聚丙烯腈。加工中，聚丙烯腈主链中连续的碳原子和氮原子链形成了高度取向的石墨样层，减少了对热拉伸的需求。
由于过度关注黏胶基和中间相沥青基碳纤维的发展，美国科学家错过了聚丙烯腈基碳纤维技术的发展机遇。在西方科学家几乎不知情的情况下，日本科学家一直在默默地开展这项技术的研究。
1962年，日本碳公司开始生产低模量聚丙烯晴基碳纤维。
1970年：技术互换、美日同盟
日本科学家進藤昭男之所以萌生开展高性能碳纤维研究的念头，就是因为受到了美国该领域技术进展报道的启发。
日本东丽工业公司(Toray Industries)开发了性能极优异的聚丙烯腈纤维，占据了碳纤维技术的领导地位。1970年东丽公司与美国联合碳化物公司UCC签署了技术互换协议，把美国带回了碳纤维制造的前沿，并合作生产了T300碳纤维，这比中国早了整整30年。2015年，日本东丽公司又把从聚丙烯腈纤维原丝到碳化的全过程的生产工厂建在了美国。
2000年：以小博大、成就日本东丽
东丽1971年在世界率先实现碳纤维量产，花了超过1400亿日元从事研究开发，却一直都是亏损。当时，其他碳纤维生产商都在争夺美国的波音订单，体量还比较小的东丽公司做了一次大赌，生产了一大批如鱼竿、高尔夫球杆等类似的碳纤维器具，当时体育休闲时尚处在一个崛起的阶段。日本东丽迅速占领了市场份额，并不断扩大。随着碳纤维在各行各业的渗透和广泛引用，东丽也于2003年，最终拿到了美国波音的长达50年的订单，决定了后来日本东丽在碳纤维领域的霸主地位。
东丽从发明到稳定盈利，耗时50年。
国产T800可以替换东丽同类产品
所谓T300、T800、T1000等称谓，其实是日本东丽公司的碳纤维型号，只是由于东丽公司在行业内的地位，所以导致其型号在媒体的报道中，无形中演化成类似于某种强度的碳纤维标杆。从中其实也能看出日本企业在碳纤维领域的行业地位。
在集成电路领域中，三星的14nm制造工艺虽然和Intel的14nm制造工艺同属于14nm，但采用三星工艺加工出来的芯片在性能、功耗等方面与Intel的相比却存在一定差距。那么，国产的T800和日本东丽的T800也存在类似同属T800，但产品性能却逊色不少的情况么？
一篇由中航复合材料有限责任公司、北京航空材料研究院、先进复合材料重点实验室、核工业理化工程研究院、北京航空航天大学材料科学与工程学院技术人员共同署名发表的论文对国产T800碳纤维和日本东丽T800碳纤维做了非常详细的测试。
在测试中，研究人员采用日本Hitachi公司生产的S4800N型冷场发射扫描电子显微镜，观察碳纤维的表面形貌，并计算纤维直径。采用美国Veeco公司生产的D3000型原子力显微镜，观察碳纤维表面形貌，分析表面粗糙度。采用英国Kratos公司生产的X射线光电子能谱仪，分析碳纤维的表面成分。采用北京航空航天大学研制的微脱黏试验机，测试纤维与基体树脂的界面剪切强度。采用美国Instron公司生产的5982型材料电子万能试验机测试复合材料室温干态力学性能。测试表明：
在表面物理态上，相对于东丽T800H碳纤维，国产T800碳纤维的表面较为粗糙，沿纤维轴向分布着更密集的沟槽，且沟槽的深度也较深，这种形貌特征有利于提高国产T800碳纤维与基体树脂的机械啮合作用，从而提高复合材料的界面性能。
由于国产T800碳纤维的氧碳原子比约为T800碳纤维约为31.2%，约为东丽T800H碳纤维的2倍，因此，国产T800碳纤维能够通过化学键合或分子间作用力与基体树脂形成相互作用，从而提高复合材料的界面性能。加上之前提到的在表面物理态上的差异，使得国产T800碳纤维与HT-280树脂能形成更好的界面黏结。
而测试也证明了这一点，东丽T800H碳纤维与HT-280树脂的界面剪切强度约为92MPa，国产T800碳纤维与HT-280树脂的界面剪切强度约为117MPa，后者较前者高约27%。
在力学性能方面，国产T800/HT-280复合材料的0°拉伸、90°拉伸、弯曲、面内剪切和层间剪切等力学性能均普遍高于东丽T800/HT-280复合材料。其中，90°拉伸强度高约25%，面内剪切强度、弯曲强度高约12%、层间剪切强度高约7%。
一篇中国科学院大学的博士论文也证明：国产T800碳纤维拉伸强度平均值5.63GPa（东丽T800为5.49GPa），弹性模量平均值292GPa，断裂伸长率平均值1.9%，与东丽公司T800碳纤维产品一致，表明国产碳纤维力学性能完全达到了国外同类产品水平，且各项指标Cv值均较低，稳定性较好。国产T800碳纤维12K产品的元素成分和表面活性与东丽T800碳纤维12K产品比较一致。国产T800碳纤维整体可媲美日本东丽T800产品，完全可以取代国外同类产品加以推广应用。
来源：贤集网
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