姜茂川 范雨嬌

碳纖維作為國家戰(zhàn)略性新材料，隨著碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的擴(kuò)大得到越來越多的重視。碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)主要在于以下幾點(diǎn)：①低密度，碳纖維復(fù)合材料的密度一般在1.5～1.8之間，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料中鋁的密度為2.7，鋼的密度約為7.8，要遠(yuǎn)大于碳纖維復(fù)合材料；②高的比強(qiáng)度、比剛度，其比強(qiáng)度是鋼的7～8倍、鋁的3～4倍，比剛度是鋼和鋁的2～3倍；③具有優(yōu)異的耐疲勞、耐腐蝕性能，使用環(huán)境和壽命均有較大保障；④可設(shè)計(jì)性，復(fù)合材料是一種各向異性材料，可以通過鋪層設(shè)計(jì)來達(dá)到性能與結(jié)構(gòu)的最優(yōu)配置；⑤易于整體化成型，作為結(jié)構(gòu)材料，其具有整體化成型的優(yōu)勢(shì)，可大大減少裝配與維護(hù)成本[1-3]。

一、國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景

20世紀(jì)60年代基于我國航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維材料迫切需求的背景下，國內(nèi)開始組織開展對(duì)碳纖維的基礎(chǔ)研究工作。但是由于碳纖維的制造工藝復(fù)雜、多學(xué)科交錯(cuò)、基礎(chǔ)技術(shù)要求高等原因，直至20世紀(jì)80年代，我國雖已建成碳纖維原絲生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能基本達(dá)到當(dāng)時(shí)日本東麗T200級(jí)的水平，但產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性一直未能突破，無法作為航空航天用結(jié)構(gòu)材料[4]。20世紀(jì)90年代后期，北京化工大學(xué)在國家部委立項(xiàng)支持下實(shí)現(xiàn)了碳纖維原絲制備關(guān)鍵技術(shù)的突破，中國石油吉林石化公司（以下簡(jiǎn)稱“吉林石化”）依此開展了工程化研究，用溶劑法代替了硝酸法，使得我國碳纖維制備技術(shù)成功轉(zhuǎn)型，為之后國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用打下了基礎(chǔ)[5]。

21世紀(jì)初，隨著國內(nèi)外碳纖維材料的應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大以及國內(nèi)材料界前輩的推動(dòng)，我國對(duì)碳纖維產(chǎn)業(yè)更加重視，國內(nèi)逐漸建立起碳纖維及其復(fù)合材料的“產(chǎn)、學(xué)、研、用”體系，實(shí)現(xiàn)了碳纖維行業(yè)較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)了碳纖維行業(yè)的發(fā)展[6]。在原絲制備上形成了以有機(jī)溶劑1步法紡絲為主，其他溶劑1步法或2步法紡絲并存的原絲制備體系，解決了以往國產(chǎn)碳纖維離散性大、強(qiáng)度偏低等難題[5]。至2011年底，國內(nèi)碳纖維企業(yè)中具有500t產(chǎn)能以上規(guī)模的企業(yè)達(dá)到了7家，其中有4家建立起千噸級(jí)生產(chǎn)線。

近年來，碳纖維的研究方向朝著更高強(qiáng)度與更高模量的2個(gè)方向發(fā)展，圖1中列出了日本東麗的主要碳纖維產(chǎn)品型號(hào)的性能。日本東麗的研究認(rèn)為，控制纖維表面的微缺陷可以得到更高強(qiáng)度的碳纖維，纖維中石墨晶體的軸向取向好可以得到更高模量的碳纖維[7]。鑒于濕法紡絲本身的工藝缺陷，從微觀形態(tài)上來看其纖維表面具有較多的微缺陷，這些缺陷對(duì)碳纖維的拉伸強(qiáng)度有較大的影響，因此如果沿用濕法紡絲工藝，很難制備出具有更高強(qiáng)度的碳纖維。參照國外的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)各大科研院所、高校開展對(duì)干噴濕紡工藝的研究，干噴濕紡碳纖維由于存在空氣層的牽伸，纖維表面缺陷更少，更容易獲得高強(qiáng)度的碳纖維[8]，日本東麗的T800S、T1000G等高強(qiáng)碳纖維均采用該紡絲工藝。至2016年，國內(nèi)干噴濕紡碳纖維技術(shù)趨于成熟，威海拓展纖維有限公司、江蘇恒神纖維材料有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限公司等企業(yè)均形成了干噴濕紡的大規(guī)模生產(chǎn)線，具備了T800級(jí)碳纖維規(guī)?；a(chǎn)的能力。

綜合來看，截至目前，國產(chǎn)T300、T700級(jí)碳纖維性能達(dá)到國外同類碳纖維的水平，已實(shí)現(xiàn)千噸級(jí)的穩(wěn)定生產(chǎn)并獲得應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)自主保障，并在進(jìn)行民用飛機(jī)復(fù)合材料驗(yàn)證；國產(chǎn)T800級(jí)碳纖維制備關(guān)鍵技術(shù)已基本突破，完成了材料全面性能的初步評(píng)價(jià)，開始進(jìn)行工程化驗(yàn)證和批生產(chǎn)項(xiàng)目；高模量M系列碳纖維的研發(fā)工作已經(jīng)開展，其中M40J級(jí)別的碳纖維實(shí)現(xiàn)了小批量供應(yīng)。

二、國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)包括上游原絲生產(chǎn)、中游碳化環(huán)節(jié)、下游復(fù)合材料及應(yīng)用；工業(yè)鏈條從原絲、碳化、預(yù)浸料、復(fù)合材料，有甚高的一致性要求，體現(xiàn)為技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。碳纖維制造工藝復(fù)雜，是一項(xiàng)集多學(xué)科、精細(xì)化、高尖端技術(shù)于一體的系統(tǒng)工程，其涉及物理、化學(xué)、紡織、材料、精密機(jī)械、自動(dòng)化等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域；工藝流程包括溫濕度、濃度、年度、流量等上千個(gè)參數(shù)的高精度控制，綜合控制最終才能保證碳纖維性能與質(zhì)量的穩(wěn)定性。

在國家政策扶持下，我國碳纖維行業(yè)在關(guān)鍵技術(shù)、裝備、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及下游應(yīng)用等方面均已取得重大進(jìn)展，高強(qiáng)型碳纖維千噸級(jí)產(chǎn)業(yè)化裝置陸續(xù)建成并投產(chǎn)；高強(qiáng)中模型工程化關(guān)鍵技術(shù)得到突破，百噸級(jí)生產(chǎn)線陸續(xù)投產(chǎn)并進(jìn)入應(yīng)用驗(yàn)證階段；高模型碳纖維隨著超高溫碳化爐等技術(shù)突破，也已進(jìn)入工程化應(yīng)用驗(yàn)證階段。但是由于我國碳纖維關(guān)鍵技術(shù)突破較晚，且國外在碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域一直對(duì)我國實(shí)行技術(shù)封鎖，導(dǎo)致我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展相較國外仍有著較大的差距。

據(jù)統(tǒng)計(jì)至2016年底，全國具有千噸級(jí)生產(chǎn)線的企業(yè)有6家，500噸級(jí)生產(chǎn)線的企業(yè)5家，100噸級(jí)生產(chǎn)線的企業(yè)9家，還有10多家產(chǎn)能不足100t的企業(yè)，如圖2中所示。以上全國30多家主要碳纖維企業(yè)的產(chǎn)能約為22 000t，總產(chǎn)能卻還不到日本東麗的一半；2016年碳纖維年產(chǎn)量僅為3 600t左右，產(chǎn)能釋放率不到20%；2015年我國碳纖維實(shí)際需求量約為1.84萬t，自給率僅為20%。

三、國產(chǎn)碳纖維應(yīng)用情況

根據(jù)碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域不同，目前碳纖維及其復(fù)合材料的研究主要分為2個(gè)方向。一個(gè)是面向軍工行業(yè)、新型飛機(jī)、宇航探索等高新領(lǐng)域，其對(duì)材料的性能提出了更高的要求，促使碳纖維向著高強(qiáng)度、高模量的方向進(jìn)行研究；另一個(gè)是面向民用領(lǐng)域包括汽車、軌道交通、風(fēng)電葉片、體育器材等，其對(duì)碳纖維的迫切需求是降低其成本并提高其使用效率。

圖3統(tǒng)計(jì)了2015年國內(nèi)碳纖維在各分市場(chǎng)的應(yīng)用情況[9]。目前國產(chǎn)碳纖維主要應(yīng)用在體育器材、建筑增材、電纜復(fù)合芯、模成型等低成本領(lǐng)域，而對(duì)于航空航天、汽車、風(fēng)電等高增值領(lǐng)域尚未完全開發(fā)，未來有很大的發(fā)展空間。

目前，在高端碳纖維及其復(fù)合材料重點(diǎn)應(yīng)用的航空航天領(lǐng)域，國產(chǎn)T300級(jí)碳纖維已在國內(nèi)某型飛機(jī)的平尾、垂尾、襟副翼、擾流板等位置獲得應(yīng)用；中簡(jiǎn)科技發(fā)展有限公司的ZT7H系列T700級(jí)碳纖維通過了XX工程A狀態(tài)01～05架裝機(jī)評(píng)審，各項(xiàng)性能滿足指標(biāo)要求，進(jìn)入小批裝機(jī)階段；中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司研制的世界最大的水陸兩棲飛機(jī)AG600（見圖4）也采用了國產(chǎn)碳纖維預(yù)浸料制造其復(fù)合材料部件并取得適航認(rèn)證[10]；吉林精功碳纖維有限公司與中國航天科工集團(tuán)公司合作將國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)及其燃燒室筒體，與航天科技集團(tuán)合作將國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于某導(dǎo)彈防熱套、口蓋、包帶、頭錐等。

建議國內(nèi)碳纖維行業(yè)要以復(fù)合材料設(shè)計(jì)單位及生產(chǎn)企業(yè)的要求為前提，聯(lián)合碳纖維企業(yè)發(fā)展有自身特色的碳纖維產(chǎn)品；推動(dòng)國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)整合，引導(dǎo)建設(shè)具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的碳纖維生產(chǎn)企業(yè)；走碳纖維研發(fā)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展道路，促進(jìn)各企業(yè)開放合作形成“既有競(jìng)爭(zhēng)又有合作”的技術(shù)創(chuàng)新模式；擴(kuò)大國產(chǎn)碳纖維在高端領(lǐng)域與民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，促進(jìn)我國碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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