造大飞机要用的碳纤维，中国能否打破美日垄断？

点击：  作者：正解局    来源：正解局 微信号  发布时间:2021-10-21 17:57:58

 

碳纤维领域最核心的先进技术，尤其是超高强度高端碳纤维的干喷湿纺技术，依旧被美日垄断。

一个月前，一条新闻引起了我的关注：中国建材万吨碳纤维生产线在西宁正式投产。

 

这个迄今为止我国最大的碳纤维生产基地，投产后高性能碳纤维的单线年产能有望达到3000吨。

 

碳纤维，一个很小众的产品，作用却极大。

 

中国年需求量5万多吨，国产化不足一半。

 

中国该如何打破外国碳纤维垄断？

 

 

 

“碳纤维”这个名词大概很多人都听过，但究竟是什么，恐怕很多人还不清楚。

 

碳纤维是一种含碳量超过90%的，具有高强度、高模量性状的纤维状碳材料。

 

据说，其发明可追溯到爱迪生。

 

当年爱迪生改良灯丝延长灯泡寿命，曾用竹子、亚麻或棉纱为原料，制造出碳纤维并获得专利。

 

可惜因为技术限制，当时制造出来的碳纤维力学性能很差，工艺复杂，难以量产，所以技术就被暂时搁置了。

 

 

爱迪生

 

上世纪中期，各发达国家加大对航天航空领域的投入，科研人员迫切需要寻找一种质量轻、强度高、耐高温、抗腐蚀的材料，碳纤维刚好具备这些优异性能，于是重新进入人们的视野。

 

碳的密度比大部分金属都低，所以碳纤维制品也比同样的金属制品更轻。

 

具体而言，碳纤维的密度只有钢材的五分之一，但强度却是钢材的5到7倍。

 

一般认为，碳纤维所拥有的高强度，来源于碳原子的整齐排列。

 

在碳纤维中，碳原子之间有着立体蜂窝状结构的碳-碳共价双键，结合非常紧密，即便受到外力的强冲击，也不会造成太大的形变破损。

 

当然，想要得到如此紧密有序的“造型”，可不是件容易的事。

 

很多人对碳纤维的工艺不了解，存在认知误区。

 

其实，碳纤维并不是直接用碳做成的纤维，至少目前还达不到。

 

碳纤维制造工艺的基本流程，是采用如聚丙烯腈纤维、沥青纤维和人造丝等含碳高的有机纤维作为原料，混合塑料树脂后，在高温高压的惰性气体环境中进行脱水炭化而成。

 

在大约1400℃的高温“烧制”下，绝大多数碳已经变成沿纤维轴平行排列的碳网面，由此带来良好的刚性和强度。

 

 

碳纤维生产工艺流程

 

另外，成型的碳纤维直径只有5到10微米，比头发丝还要细得多。

 

跟很多人的直觉认识不同，碳纤维越细，缺陷就越少，强度也越大。

 

不管什么样的碳纤维，还都只是一维的，要变成可使用的制造业原材料，还需要编制处理，把碳纤维纺成薄薄的布。

 

 

不同类型碳纤维的微观结构

 

为了让碳纤维制品的硬度更好，碳纤维布之间会注入树脂和固化剂，把它们一层层叠加黏合起来，就像一张张纸装订成一本书。

 

需求不同，层数也不一样。这一步完成后，基本就是我们能看到的碳纤维制品的外观形态了。

 

 

碳纤维制品

 

可见，碳纤维的优良性质，虽然本质上来源于它的内部结构，但落脚点还是制造工艺，产品的量产需要解决很多复杂的技术难题。

 

 

 

工艺复杂，价格自然昂贵，最早使用碳纤维的领域肯定不差钱儿。

 

航天领域对材料轻量化的追求，早已达到以克为计量单位的程度，在安全的基础上不断追求更轻。

 

因为火箭需要巨大的助推力，所以，燃料储箱的重量往往占到整体重量的六成以上，如果能减轻容器自身的重量，火箭就能更轻盈，提升有效载荷，提高发射效率。

 

碳纤维耐高低温、重量轻等特性，自然成为火箭的首选。

 

在这里讲句题外话，世界航空航天的发展历史，其实是相关材料科学的发展史。

 

每一代新材料的出现，都会引发颠覆性的变革。

 

与火箭一样，飞机设计中也有结构轻量化的考量。

 

用碳纤维制造的飞机，可以大幅节约能耗，不但使飞行航程扩展，载荷提高，机动灵活性还更强，而且飞行寿命也延长了。

 

美国早在1969年就已经把碳纤维复合材料用在了F-14A战斗机上，但由于工艺和造价的限制，当时仅仅使用了相当于飞机自重1%用量的碳纤维。

 

可就是这么一点碳纤维，已经让美国军方尝到了甜头。

 

到了以F-22和F-35为代表的第四代战斗机，碳纤维的使用比例骤然提升到飞机重量的24%和36%。

 

碳纤维的结构，还让战斗机额外具有电磁屏蔽和隐身特性。

 

在无人机领域，碳纤维更是保证承载和续航的不二之选，使用比例是所有航空器中最高的。

 

美国全球鹰（GlobalHawk）无人侦察机碳纤维占比达到65%，X-47B、“神经元”、“雷神”等几个型号的无人机上，碳纤维的使用比例高达九成。

 

 

不同型号战斗机碳纤维的使用比例

 

除了天上飞的，海里游的也照样能用上碳纤维。

 

船舶舰体的上层建筑使用碳纤维，可减轻总体质，提高安全性能；用碳纤维做叶片舰船推进器，在减轻自重的同时能够降低油耗，延长使用寿命；桅杆、船体结构上使用碳纤维，能增加舰船强度。

 

在军事方面，碳纤维还有个很特殊的专门用途——制造炸弹。

 

碳纤维炸弹又叫石墨炸弹或软炸弹（Soft Bomb），由经过特殊处理的碳纤维制成。

 

咱们说过碳纤维直径很小，就能在高空中长时间漂浮。

 

这些碳纤维，能进入电子设备的内部，以及冷却管道和控制系统的电路中，造成短路。

 

在战场上没了电，军事指挥所需要的各种高精尖装备的使用就无从谈起了。

 

碳纤维在军事领域如此重要，必然属于战略物资。

 

随着科技军转民的潮流，碳纤维也广泛应用于民航、医疗、汽车、体育等民用领域。

 

咱们自己的民用大飞机C919的发动机上，使用碳纤维复合材料的叶片，重量比传统钛合金减少500多公斤，机身整体重量减少1吨。飞机油耗降低，航程提升。

 

 

C919

 

在医疗领域，碳纤维的应用很广泛。

 

比如在人工骨骼和关节方面，由于碳纤维具有优良的力学强度和抗拉蠕变性能，制造出来的骨骼更接近人骨，与人体相容性更好；用碳纤维制成的人工关节，在关节连接处的耐磨性也比金属制品要更高。

 

国内碳纤维的最大消费方向是风力发电机的叶片，约占民用碳纤维消费的四成。

 

风电叶片越来越长，传统玻璃纤维复合材料，已经无法满足风电叶片大型化、轻量化的要求。

 

碳纤维材料具有更低的密度和更高的强度，可以保证风电叶片在增加长度的同时，大大降低重量。

 

 

布加迪Chiron 110 ans特别版采用碳纤维车身

 

小到羽毛球拍、婴儿推车，大到轮船飞机、超高速列车，对碳纤维的需求无处不在。

 

 

 

在巨大的消费需求面前，我国碳纤维市场的国产化程度比较低，供应略显不足。

 

这种不足，主要是因为咱们起步太晚。

 

上世纪50年代初，美国空军就开始把新材料的研发重点放在碳纤维上。

 

1959年，美国空军材料实验室和美国联合碳化公司首次用人造丝作为原料，实现了碳纤维的量产。

 

1960年代，日本也加入碳纤维的研发，日本碳公司实现了通用级聚丙烯腈基碳纤维的生产。

 

1971年，日本东丽公司的高性能聚丙烯腈基碳纤维在滋贺试投产。

 

 

日本东丽公司

 

日本采取的聚丙烯腈技术比美国的人造丝技术更先进。

 

1970年代，美国联合碳化公司主动找到日本东丽公司达成合作协议，用自己比较成熟的碳化技术与东丽公司的聚丙烯腈原丝技术交换。

 

美日两国各取所需，形成了碳纤维技术的双雄垄断。

 

西欧各国也在1970年代加入碳纤维的技术大战。

 

到1980年代中期，聚丙烯腈基碳纤维成为各国主流，全球年产能力在7200多吨，除满足科研用途之外，基本全都用在航空航天等高精尖领域，特别是军事领域。

 

追溯起来，我国的碳纤维研究起步于1970年代初期，中科院化学所高分子材料物理研究室进行了相关研究。

 

1975年，时任国防科工委主任的张爱萍将军主持召开专题会议，部署国内碳纤维研究工作，还制定了十年规划。

 

但由于美日对于碳纤维技术的垄断，我国的碳纤维技术一直在低水平徘徊。

 

到了1990年代，虽有零星产品，但始终无法大规模生产。

 

2000年，在师昌绪院士的牵头和推动下，发起了中国碳纤维技术攻关的新一轮战略构思。

 

2001年1月，80岁的师院士给江泽民主席写了《关于加速开发高性能碳纤维的请示报告》，各主要领导对我国碳纤维的发展有了清晰的认识，相关研发项目再次启动。

 

以2002年入选国家863计划为新起点，我国碳纤维开启了冲出垄断的逆袭之旅。

 

 

师昌绪院士

 

经过十几年的发展，到2019年中国碳纤维的理论产能已经排名第三，以2.685万吨仅次于美国（3.73万吨）和日本（2.91万吨）。中、美、日三国总共占有全球碳纤维总产量的六成。

 

居安思危，虽然我国的碳纤维的产量已经大幅提升，但主要是通用型的低端产品，采用湿纺技术。

 

碳纤维领域最核心的先进技术，尤其是超高强度高端碳纤维的干喷湿纺技术，依旧被美日垄断。

 

该技术具有生产效率高、碳纤维品质好、生产成本低等优点，生产的高端牌号碳纤维，特别是T-1000及以上级别的超高强度碳纤维更是高端尖货，是美日对我国技术封锁的“卡脖子”领域。

 

 

扫描电镜下，单根碳纤维的表面结构（左：湿纺纤维；右：干喷湿纺纤维）

 

比如日本东丽公司，作为全球最大的碳纤维生产商之一，其产品从小丝束到大丝束，从线、条到面板，已经做到了全系列覆盖，代表着碳纤维工业化技术的最高水平。

 

东丽公司对高端碳纤维材料的垄断，占据着航天航空的国际市场。

 

尽管我国对高模高强碳纤维的研发工作，已经成功攻克了实验室制备技术，科研成果和实际效果也已经接近了国际先进水平。

 

但在产业方面，我国的碳纤维技术、生产水平，则主要集中在中低规格的通用型产品。

 

通用性级别的产品，占到国产碳纤维产品的九成，用于民用产品的制造比较合适，却很难满足高端工业领域，尤其是现代国防的需求。

 

任何技术要实现产业化落地，除了与之配套的技术，还需要包括原材料、设备、工艺控制等多方面的协同发展和完善。

 

为了突破美日在碳纤维方面的技术封锁，2018年，集全国10余所高校、科研院所、企业的通力合作，我国已成功实现了从12K小丝束到48K大丝束的突破。

 

2019年初，中科院山西煤炭化学研究所实现了干喷湿纺制备T-1000级超强碳纤维的核心技术突破，并且在国内首次开发出聚丙烯腈基新型中空碳纤维。

 

西宁投产后，未来仍可期。今年1月，上海石化1.2万吨/年48K大丝束碳纤维项目正式开工建设，计划2024年建成投产。

 

 

新闻报道

 

我国碳纤维的技术和产业发展，已经到了打破美日垄断的临门一脚。

 

产能提升可能不是难事，最重要的还是技术的看齐。

 

唯有如此，才能在新技术来临时弯道超车，彻底打破美日垄断。

 

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