一副由碳纖維制造的自行車(chē)車(chē)架，重量?jì)H600克左右，相當于3個(gè)蘋(píng)果；一根1米長(cháng)的T1000級碳纖維，手指粗的一束，重量只有0.5克，可以拉動(dòng)兩架民航客機；碳纖維制品可在3000攝氏度高溫下安然無(wú)恙，能在酸、堿、油、鹽等各種腐蝕性環(huán)境里使用……碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、耐腐蝕、重量輕等諸多優(yōu)異性能，在現代制造業(yè)中應用前景廣闊，被譽(yù)為“工業(yè)黑色黃金”。

細如發(fā)絲、輕若鴻毛、強過(guò)鋼鐵

碳纖維是一種碳含量在95%以上的無(wú)機纖維，由不同原料經(jīng)聚合、紡絲、氧化、高溫碳化而成。根據原料種類(lèi)，碳纖維主要有聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維和瀝青基碳纖維3種。其中，以石油化工產(chǎn)品丙烯腈為主要原料的聚丙烯腈基碳纖維，占世界碳纖維總產(chǎn)量的90%以上，是高性能碳纖維的最主要來(lái)源。

碳纖維具有細如發(fā)絲、輕若鴻毛、強過(guò)鋼鐵等優(yōu)異性能。碳纖維直徑通常為5—7微米，只有頭發(fā)絲1/10左右粗細，密度較小，一般為鋼的1/5、鈦的2/5、鋁的3/5。雖然“身輕體薄”，碳纖維強度卻非常高，一般為鋼的35倍。實(shí)際應用中，通常會(huì )將一定數量的碳纖維“細絲”像編繩子一樣纏繞起來(lái)，一束標準的12K（即1.2萬(wàn)根）碳纖維不到一支鉛筆粗，卻可以承受130千克左右的重量。與此同時(shí)，碳纖維能在3000攝氏度高溫下安然無(wú)恙，在零下100攝氏度到100攝氏度之間，其尺寸基本保持不變，并且能在高腐蝕性環(huán)境里使用，可謂“真金不怕火煉”。

要想獲得這樣的特性并不容易。碳纖維制備流程長(cháng)、工藝復雜，難度堪比芯片和微納光刻。碳纖維制備流程包括上百個(gè)細分工序，涉及高分子化學(xué)、高分子物理、材料科學(xué)、高分子加工與紡絲工程、工業(yè)自動(dòng)化控制、高溫工程等，其工藝控制點(diǎn)上千，工藝參數超過(guò)萬(wàn)項，每一項參數的變化都會(huì )影響碳纖維的最終性能。當前世界最先進(jìn)的芯片光刻技術(shù)達到幾納米尺度，與之相似，高性能碳纖維也要求碳纖維內部缺陷控制在10納米以?xún)?。碳纖維還要經(jīng)過(guò)從普通室溫到1700攝氏度甚至2500攝氏度的高溫碳化，且溫度精度要控制在5—10攝氏度，難度可見(jiàn)一斑?？梢哉f(shuō)，每一束碳纖維材料都是千錘百煉得來(lái)的。因為技術(shù)要求高、制造難度大，碳纖維價(jià)格比較昂貴，宇航級碳纖維價(jià)格在每千克數千元到萬(wàn)元之間，是鋼和鋁合金價(jià)格的幾十倍，但碳纖維憑借其優(yōu)異性能，依然成為國民經(jīng)濟和國防建設不可或缺的關(guān)鍵材料。

現代制造業(yè)的支撐性材料

碳纖維兼具碳材料的高強度和纖維紡織材料的柔軟可加工性。一束手指粗的高強度碳纖維可以拉動(dòng)飛機，碳纖維還可以編織成纖維布，根據需要編織裁剪成特定形狀，經(jīng)樹(shù)脂固化變成比高強鋼強度更高的材料。因為擁有多種優(yōu)異特性，碳纖維應用廣泛，成為航空航天、電力、交通運輸等高端裝備、重大基礎工程、新能源等領(lǐng)域重要支撐性材料。

在航空航天領(lǐng)域，碳纖維的用量常被作為衡量航空航天裝備水平的重要標志。碳纖維復合材料可以用于飛機、衛星、火箭等的制造，還能幫助產(chǎn)品減小噪聲、節約燃料。例如，民航客機使用碳纖維復合材料葉片，重量比傳統鈦合金減少500多公斤，機身整體重量減少1噸，飛機油耗大幅度降低，航程實(shí)現有效提升。將碳纖維加入推進(jìn)劑和發(fā)射藥中，還能改善推進(jìn)劑的力學(xué)性能，提高推進(jìn)劑燃速，改善發(fā)射藥的燃燒性能。

在與民生息息相關(guān)的汽車(chē)和風(fēng)電領(lǐng)域，碳纖維成為提升性能的利器。碳纖維復合材料的密度低、重量輕、剛度大、吸力大，碰撞時(shí)材料吸能能力高出鋼結構6到7倍。將碳纖維復合材料用于汽車(chē)制造，能大幅提升汽車(chē)的加速性能、制動(dòng)性能、減震性能、安全性能。比如高端精密的一級方程式賽車(chē)，各車(chē)型無(wú)一例外地應用碳纖維增強聚合物基復合材料制造車(chē)架、車(chē)身、底盤(pán)等，使車(chē)身減輕質(zhì)量40%到60%，相當于鋼結構質(zhì)量的1/3到1/6，還保持了足夠的強度和剛度?；谔祭w維材料，有的汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)制造出車(chē)身重量不到300千克的超級跑車(chē)。

在風(fēng)電設備方面，葉片主梁是碳纖維復合材料的用武之地。這些主梁長(cháng)度往往超過(guò)70米甚至達到120米，使用大絲束碳纖維進(jìn)行制造，可以明顯降低葉片重量，增加葉片剛度，產(chǎn)品性?xún)r(jià)比大幅提升，整個(gè)機組的發(fā)電效率、穩定性也隨之提高。

在體育運動(dòng)裝備制造中，碳纖維也能一展身手。目前，將碳纖維用于高端體育裝備制造，可以幫助運動(dòng)員突破極限，創(chuàng )造新紀錄。如在網(wǎng)球拍、自行車(chē)、高爾夫球桿、滑雪板、皮劃艇制造中，充分發(fā)揮碳纖維材料重量輕的優(yōu)勢，可以減輕運動(dòng)員“負擔”。與鋁合金球拍相比，運動(dòng)員使用碳纖維制作的網(wǎng)球拍，可以將擊打的最高球速提高20%，達到250公里/小時(shí)。未來(lái)，隨著(zhù)技術(shù)提升和成本降低，將會(huì )有更多運動(dòng)裝備用上碳纖維。

產(chǎn)學(xué)研結合，做強碳纖維產(chǎn)業(yè)

進(jìn)入新世紀以來(lái)，我國組織優(yōu)勢科技力量，開(kāi)展碳纖維科學(xué)技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過(guò)20余年不懈努力，碳纖維工程化、產(chǎn)業(yè)化、國產(chǎn)化取得突破性進(jìn)展。今年8月，國產(chǎn)T1000級聚丙烯腈基碳纖維千噸級工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)專(zhuān)家委員會(huì )技術(shù)鑒定。緊接著(zhù)，全國首個(gè)萬(wàn)噸級高性能碳纖維生產(chǎn)基地在西寧建成。中國碳纖維產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、從有到大、從大到優(yōu)，技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢頭良好，研究應用進(jìn)入高速發(fā)展新階段。

在這一產(chǎn)學(xué)研高度融合的生產(chǎn)領(lǐng)域，向市場(chǎng)提供種類(lèi)豐富、質(zhì)量穩定、產(chǎn)量充足、價(jià)格合理的系列產(chǎn)品，是碳纖維技術(shù)迭代升級的關(guān)鍵所在。按照國際通行標準，碳纖維產(chǎn)品會(huì )根據強度、模量劃分為不同型號，如高強、高模、高強中模、高強高模等系列，其中高強系列又按拉伸強度分為T(mén)300、T800、T1000等型號。應用領(lǐng)域不同的碳纖維產(chǎn)品，好比一個(gè)個(gè)科研題目，需要逐個(gè)攻破。即便最低等級的T300碳纖維，強度也是一般汽車(chē)防撞梁的數倍，研發(fā)難度可想而知。在分子設計、聚合工程、凝固成型、裝備精細化控制等軟硬件技術(shù)合力支持下，我國在“十五”至“十三五”期間，先后突破T300、T700、T800級別聚丙烯腈基碳纖維關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現規?；a(chǎn)。2022年，我國碳纖維產(chǎn)量已占全球1/3。

產(chǎn)量上去了，超高性能碳纖維生產(chǎn)也亟待我們“登頂”，實(shí)現規?；?、穩定化生產(chǎn)。T1000級碳纖維是目前全球強度最高的碳纖維系列之一。國內碳纖維生產(chǎn)企業(yè)與深圳大學(xué)協(xié)同攻關(guān)，攻克了這項技術(shù)。經(jīng)國內權威機構檢測，在年產(chǎn)1700噸生產(chǎn)線(xiàn)上制備這類(lèi)碳纖維產(chǎn)品，性能達到國際同級產(chǎn)品水平，產(chǎn)品質(zhì)量合格率高于95%。隨著(zhù)生產(chǎn)穩步推進(jìn)，T1000級碳纖維材料將助力滿(mǎn)足我國高端工業(yè)領(lǐng)域日益增長(cháng)的迫切需求。

在政策和市場(chǎng)雙重推動(dòng)下，我國碳纖維技術(shù)不斷提升，碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。從奮起直追、迎頭趕上到再接再厲、勇攀高峰，在實(shí)現高水平科技自立自強的路上，碳纖維技術(shù)將貢獻更加堅實(shí)有力的“中國強度”。

（作者為深圳大學(xué)教授、中國復合材料學(xué)會(huì )副理事長(cháng)——徐堅）