輕量材料之王

編者按：科技如同一個神奇的魔法師，在各個領(lǐng)域施展著它的魔法，改變了我們的生活。本欄目介紹《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中科技領(lǐng)域取得的成果，包括但不限于工業(yè)制造、能源能化、生物醫(yī)學(xué)等方面，向青少年讀者展示我國近些年來取得的科技成就，激發(fā)青少年的科學(xué)熱情。

碳纖維，是指含碳量90%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維，被譽(yù)為“輕量化材料之王”。

1879年，愛迪生在為燈泡選擇最合適的燈芯時，制備出了碳纖維，然而囿于當(dāng)時的科技水平，碳纖維無法大規(guī)模生產(chǎn)。直到20世紀(jì)60年代，日本發(fā)明家近藤昭男以聚丙烯腈為原料制取了碳纖維，燈芯才得到大規(guī)模發(fā)展。

2021年，我國發(fā)布《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，其中明確加強(qiáng)碳纖維等高性能復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用，深入實施制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略。

為何碳纖維成了國家制造業(yè)的重點研究方向呢？因為它可能改變世界。

在生活中，碳纖維并不罕見。釣魚愛好者手中的釣魚竿、運(yùn)動員手中的高爾夫球桿、農(nóng)業(yè)技術(shù)員手中的無人機(jī)，都用到了碳纖維材料，準(zhǔn)確地說是碳纖維復(fù)合材料，即一種以碳纖維為增強(qiáng)材料，以樹脂、金屬、陶瓷等為基體材料的高性能復(fù)合材料。

碳纖維就像絲線，人們把絲線編織成布，把布匹放在樹脂或者陶瓷等材料中固定，組成各種形狀，有了各種物理特性。它的密度通常為1.5g/cm3，遠(yuǎn)小于同體積的玻璃纖維復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金，它的拉伸強(qiáng)度約為1 548Mpa，遠(yuǎn)高于同體積的玻璃纖維復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金。故而，碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)越的物理性能，耐高溫、耐腐蝕，且質(zhì)量輕、強(qiáng)度高。

碳纖維有多種分類方式，通常按照原絲類型和絲束規(guī)格分類。

按照原絲類型分，碳纖維可分為由聚丙烯腈制成的聚丙烯腈基碳纖維，占市場的90%；由瀝青制成的瀝青基纖維，占市場的8%；由粘膠制成的粘膠基纖維，占市場的1%；由酚醛制成的酚醛基纖維，占市場的1%。

按照絲束規(guī)格分，碳纖維可分為大絲束和小絲束。每個碳纖維的生產(chǎn)商都有不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，但一般認(rèn)為24K以下的叫作小絲束，48K以上的叫作大絲束。絲束代表該款碳纖維材料是由多少根纖維制成的，1K代表一束碳纖維中有1 000根絲。

碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用場景廣泛，最大的需求來源于新能源和航空航天。我國自從加入《巴黎協(xié)定》后，一直致力于減少碳排放，致力于綠色發(fā)電，其中包括了風(fēng)電。

風(fēng)電所使用的風(fēng)機(jī)葉片巨大，若是采用玻璃纖維，不僅發(fā)電效率不高，而且使用壽命較短。于是大絲束的碳纖維復(fù)合材料制成的風(fēng)機(jī)葉片就成為首選。根據(jù)2023年的數(shù)據(jù)，中國風(fēng)電裝機(jī)容量為441 895 Mpa，位居世界第一，比第二名美國到第五名西班牙的裝機(jī)容量總和還多，這使得我國對碳纖維復(fù)合材料的需求非常旺盛。

在航空航天領(lǐng)域，我國成功建成中國空間站，擁有國產(chǎn)大飛機(jī)，組成這些成就的基石之一就是小絲束的碳纖維復(fù)合材料。根據(jù)測算，用碳纖維制造飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件，能使飛機(jī)的重量減輕30%，目前世界上主流的商用飛機(jī)，比如波音787、空客A350，它們機(jī)身采用的碳纖維復(fù)合材料用量均超過了50%。

可見，碳纖維對我國多領(lǐng)域的發(fā)展非常重要。然而，碳纖維的制備難度非常大，它的生產(chǎn)工藝流程長，技術(shù)壁壘高。

以聚丙烯腈基碳纖維為例，以丙烯腈為原材料進(jìn)行聚合反應(yīng)生成聚丙烯腈，再通過紡絲得到聚丙烯腈原絲，對原絲進(jìn)行預(yù)氧化、碳化、表面處理才能得到碳纖維材料。整個過程持續(xù)走絲，需要精確控制參數(shù)，每個環(huán)節(jié)都會影響成品的質(zhì)量和性能。原絲制備更是碳纖維生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，最終決定著碳纖維的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本。

在2015年之前，碳纖維的核心生產(chǎn)技術(shù)掌握在日本、美國等國家手中，日本東麗集團(tuán)就占了碳纖維產(chǎn)能的20%。隨著我國制造業(yè)發(fā)展，我國企業(yè)開始對標(biāo)日本、美國等廠家，進(jìn)行分批研發(fā)。目前，我國已經(jīng)分別建成了大、小絲束碳纖維生產(chǎn)線，突破了千噸級碳纖維原絲干噴濕紡工業(yè)化制造技術(shù)，打破了發(fā)達(dá)國家對宇航級碳纖維的技術(shù)封鎖，力爭在“十四五”期間，建成高性能的碳纖維復(fù)合材料全產(chǎn)業(yè)鏈。