碳纖維40年：國(guó)際封鎖下的艱難攻關(guān)

文/本刊記者 黃芳芳

從上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始，尤其是改革開(kāi)放40年以來(lái)，歷經(jīng)三四代人的共同攻關(guān)，國(guó)產(chǎn)碳纖維終于實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有的突破。在國(guó)外技術(shù)封鎖的艱難環(huán)境下，我們不斷創(chuàng)新，舉全國(guó)之力攻克了碳纖維制備的關(guān)鍵技術(shù)，在航空航天、軍工等特定領(lǐng)域打破了國(guó)外對(duì)碳纖維的壟斷。

改革開(kāi)放40年后，碳纖維進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。它正在從“能用”向“好用”和“用得起”的階段繼續(xù)攻關(guān)。

久攻不克

碳纖維（CF）是一種含碳量在93%以上的高強(qiáng)度、高模量新型纖維材料。由于它最早應(yīng)用在航空航天、軍工等領(lǐng)域，是國(guó)家戰(zhàn)略性新興材料之一。國(guó)外一直對(duì)我國(guó)禁運(yùn)高端碳纖維。自“十五”以來(lái)，因涉及國(guó)防安全，碳纖維被列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的新材料，國(guó)家給予高度重視。近年來(lái)，隨著碳纖維制備關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，其應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到體育休閑、風(fēng)力發(fā)電、汽車輕量化等領(lǐng)域。

《經(jīng)濟(jì)》記者采訪多位在一線攻關(guān)的科研人員后，深深地感受到他們對(duì)碳纖維技術(shù)攻關(guān)的鍥而不舍和令人肅然起敬的國(guó)家情懷。

“沒(méi)有10年的臥薪嘗膽，做不出來(lái)高性能碳纖維。”山東大學(xué)材料學(xué)院高分子材料研究所所長(zhǎng)、山東省碳纖維工程技術(shù)研究中心副主任朱波這樣告訴《經(jīng)濟(jì)》記者。

“1966-1976年間，科學(xué)家們?cè)芯窟^(guò)酚醛、苯酚甲醛、呋喃類樹脂、聚萘乙酸……聚乙烯醇和聚醋酸乙烯酯等20多種有機(jī)物，但它們都沒(méi)有作為碳纖維前驅(qū)體的商業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值?！避娛驴茖W(xué)院系統(tǒng)工程研究院的周宏在《日本碳纖維技術(shù)發(fā)展史研究》一文中有這樣的描述。我們從中能感覺(jué)到，尋找高性能碳纖維的制備方法曾讓全世界的科學(xué)家、科研人員“抓狂”。

“碳纖維的研究起源于日本、美國(guó)，英國(guó)的科研人員通過(guò)工藝創(chuàng)新，賦予了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維（以下簡(jiǎn)稱‘PAN基碳纖維’）優(yōu)異的力學(xué)性能。作為一種新的材料研究，啟發(fā)了中國(guó)的科研人員，跟著開(kāi)始研究，但那時(shí)的科研并不在國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃和管理下，更多的是自由分散式的?！北本┗ご髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)、國(guó)家碳纖維工程技術(shù)研究中心主任徐樑華這樣告訴《經(jīng)濟(jì)》記者。

據(jù)資料顯示，美國(guó)人曾嘗試使用它制備高模量碳纖維，但沒(méi)有成功。日本的進(jìn)藤昭男抓住了美國(guó)人留下的這一機(jī)遇并取得了成功。1959年9月，進(jìn)藤昭男向日本專利局提出了一項(xiàng)PAN基碳纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)的專利申請(qǐng)。

1970年6月，日本東麗公司獲得了大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所的專利授權(quán)，并收購(gòu)了東海碳素公司和日本碳素公司的相關(guān)生產(chǎn)技術(shù)，經(jīng)過(guò)一系列小試、中試，于次年制備出了高性能PAN基碳纖維。時(shí)至今日，它依然是世界領(lǐng)先的碳纖維公司。

值得注意的是，PAN基碳纖維從實(shí)驗(yàn)室到東麗公司規(guī)?；a(chǎn)也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的12年。

“上個(gè)世紀(jì)70年代，我們只落后日本三四年。我們下了很大功夫。到80年代，日本碳纖維突飛猛進(jìn)。90年代以后，美國(guó)在碳纖維推廣應(yīng)用上進(jìn)展飛速。但這段時(shí)間，我們?cè)谔祭w維應(yīng)用方面的進(jìn)展較少。”中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所一位科研人員這樣告訴《經(jīng)濟(jì)》記者。

在回顧上個(gè)世紀(jì)70年代國(guó)外的碳纖維發(fā)展情況之后，我國(guó)在當(dāng)時(shí)也發(fā)生了一個(gè)標(biāo)志性的事件。1975年11月，時(shí)任國(guó)防科工委主任的張愛(ài)萍將軍主持的“7511”會(huì)議上，確定PAN碳纖維為戰(zhàn)略核武器的關(guān)鍵材料，組織了全國(guó)力量進(jìn)行科技攻關(guān)?！?511”會(huì)議是中國(guó)碳纖維行業(yè)的一次標(biāo)志性會(huì)議，也標(biāo)志著碳纖維的科研工作被納入國(guó)家統(tǒng)一規(guī)劃。

不過(guò)，當(dāng)時(shí)我們面臨的困難也不少。外因有國(guó)外的技術(shù)封鎖，內(nèi)因主要是由于中國(guó)部委制分割過(guò)細(xì)，把碳纖維這一集成的技術(shù)，分割到各個(gè)部委去抓，導(dǎo)致科研效果不佳。

由于種種原因，“7511”會(huì)議之后的20多年里，中國(guó)碳纖維行業(yè)一直找不到一個(gè)有序發(fā)展的技術(shù)途徑。我國(guó)有各種技術(shù)路線，但都不是頂尖的。那段時(shí)期，代表中國(guó)碳纖維水平的是吉林石化的硝酸法原絲制備工藝，但它也有明顯的缺點(diǎn)，比如在工程放大的時(shí)候，它只能在低溫下操作，否則容易爆炸，而且硝酸腐蝕性強(qiáng)，碳纖維的性能波動(dòng)較大，產(chǎn)能也十分有限。

很長(zhǎng)一段時(shí)間，碳纖維行業(yè)都徘徊在沉寂期里?？蒲腥藛T依然默默付出，因?yàn)樗麄円恢便T足勁，希望終有一日中國(guó)的碳纖維能夠超越日本。

曙光與攻克

碳纖維排

1999年，南斯拉夫科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)。這是在以美國(guó)為首的北約的推動(dòng)下發(fā)生的一場(chǎng)高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)。國(guó)內(nèi)專家意識(shí)到，作為重要軍事武器的原材料碳纖維的重要性以及研制高性能碳纖維的緊迫性。

碳纖維應(yīng)用于各領(lǐng)域的產(chǎn)品

碳纖維電動(dòng)車樣車

碳纖維硅片支架

碳纖維鏡框

碳纖維復(fù)合材料車身

在2000年前后，一方面，國(guó)際封鎖嚴(yán)酷，碳纖維奇缺；另一方面，國(guó)產(chǎn)碳纖維的性能不穩(wěn)定，無(wú)法滿足軍方要求。在這種情況下，戰(zhàn)略科學(xué)家、兩院院士師昌緒先生提出要自主發(fā)展碳纖維。

曾經(jīng)從事碳纖維管理工作的李克健撰文回憶那段歷史：“2001年1月，師昌緒先生給江澤民主席寫了‘關(guān)于加速開(kāi)發(fā)高性能碳纖維的請(qǐng)示報(bào)告’，報(bào)告批轉(zhuǎn)到了國(guó)家計(jì)委和科技部等部門。此舉產(chǎn)生較大反響，對(duì)以后的經(jīng)費(fèi)落實(shí)起到了決定性影響。”

2002年，科技部設(shè)立國(guó)家863計(jì)劃的碳纖維關(guān)鍵技術(shù)專項(xiàng)——304專項(xiàng)，撥款1億元，集中資源、瞄準(zhǔn)技術(shù)關(guān)鍵開(kāi)展集約攻關(guān)。業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，如果沒(méi)有國(guó)家大力支持，碳纖維技術(shù)發(fā)展不了這么快。

“當(dāng)時(shí)的形勢(shì)很嚴(yán)峻。為了盡快做出碳纖維，科技部在設(shè)立研發(fā)項(xiàng)目的同時(shí)，成立了測(cè)試專家組，每3個(gè)月到攻關(guān)單位現(xiàn)場(chǎng)抽樣一次，送第三方檢驗(yàn)進(jìn)行盲測(cè)盲評(píng)?？萍疾吭O(shè)立信息搜集專項(xiàng)課題，收集匯總?cè)澜绲奶祭w維及原絲相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)信息，給碳纖維及其原絲研發(fā)提供了強(qiáng)有力的支撐?！敝觳ɑ貞浾f(shuō)。

在原化學(xué)工業(yè)部和科技部立項(xiàng)支持下，北京化工大學(xué)于2000年突破了二甲基亞砜法原絲工藝?！爱?dāng)時(shí)我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室階段，突破了一個(gè)與東麗公司類似的技術(shù)，盡管工藝有些粗糙，但增強(qiáng)了我們的信心。后來(lái)吉林石化以此為依據(jù)開(kāi)始了工程化技術(shù)研究，原來(lái)的硝酸法被二甲基亞砜法替代了?！毙鞓湃A回憶說(shuō)。

其實(shí)，科研人員很清楚，實(shí)驗(yàn)室階段離產(chǎn)業(yè)化還有很長(zhǎng)的距離。在采訪過(guò)程中，幾位專家都不約而同地提到了科工委的“一條龍”項(xiàng)目管理流程發(fā)揮了重要作用。2005年，國(guó)防科工委（現(xiàn)為國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局）提出把碳纖維研究從技術(shù)推動(dòng)變成需求牽引的“一條龍”項(xiàng)目管理流程。徐樑華向記者解釋，這促使碳纖維人轉(zhuǎn)變了思維和理念?！把兄粕a(chǎn)碳纖維是為了某種領(lǐng)域應(yīng)用而服務(wù)的，碳纖維人應(yīng)該站在應(yīng)用的角度審視碳纖維的制備，這對(duì)碳纖維的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。碳纖維技術(shù)研發(fā)‘一條龍’模式的示范意義很大，以后國(guó)內(nèi)關(guān)鍵材料的發(fā)展都采用了這一模式。”

從2000年到2005年是碳纖維打基礎(chǔ)的階段。一方面，繼續(xù)高性能化的技術(shù)研發(fā)，突破了碳纖維T700的制備工藝，同時(shí)關(guān)注碳纖維的工程化技術(shù)研究。2005年，碳纖維T300率先完成了工程化條件建設(shè)和基本工藝突破，應(yīng)用牽引的一條龍研究模式得以有條件實(shí)施。到2008年，宇航級(jí)的碳纖維T300實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化保障。這也意味著，國(guó)產(chǎn)碳纖維在特定領(lǐng)域的應(yīng)用可以替代進(jìn)口了。

2009年，國(guó)內(nèi)很多單位都上線了碳纖維。當(dāng)年有20多家企業(yè)具備碳纖維T300系列的生產(chǎn)能力。但是日本采取了降價(jià)傾銷策略，碳纖維T300開(kāi)始大幅降價(jià)，對(duì)我國(guó)碳纖維企業(yè)造成了嚴(yán)重的打擊。

“日本東麗公司于1969年實(shí)現(xiàn)了T300碳纖維的規(guī)?；a(chǎn)，1986年實(shí)現(xiàn)了T1000碳纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，一線科研專家清楚地知道我們與國(guó)外的差距。國(guó)家多個(gè)部委從‘十五’到‘十二五’連續(xù)設(shè)立專項(xiàng)支持碳纖維發(fā)展，我國(guó)碳纖維研究人員和企業(yè)家不負(fù)眾望，在國(guó)家總體投資不大的前提下，光威拓展、中復(fù)神鷹、丹陽(yáng)恒神、吉林碳谷等幾家基礎(chǔ)條件好的企業(yè)實(shí)現(xiàn)了通用碳纖維的規(guī)?；a(chǎn)。”朱波這樣告訴記者。

2015年以后，國(guó)家相關(guān)專項(xiàng)已從“碳纖維關(guān)鍵技術(shù)專項(xiàng)”更名為“高性能纖維及復(fù)合材料重點(diǎn)專項(xiàng)”，將碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行延伸。直到現(xiàn)在，我國(guó)仍將高性能碳纖維視為重點(diǎn)發(fā)展的新材料。

從總體來(lái)看，碳纖維行業(yè)的基礎(chǔ)建立在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代。正是由于國(guó)家意志和財(cái)政資金的支持，以及民營(yíng)資本的介入，才共同支撐起碳纖維行業(yè)的發(fā)展。

攻關(guān)仍在路上

從碳纖維的發(fā)展歷程來(lái)看，我們發(fā)現(xiàn)國(guó)家的引導(dǎo)和總體戰(zhàn)略部署對(duì)碳纖維行業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。同時(shí)，立足自主研發(fā)是永遠(yuǎn)不變的主題。

“在‘十五’期間，‘863’碳纖維項(xiàng)目的驗(yàn)收十分嚴(yán)苛。當(dāng)時(shí)有3個(gè)單位承擔(dān)課題攻關(guān)，科技部專門成立測(cè)試組。在測(cè)試時(shí)，由第一撥測(cè)試小組人員直接到現(xiàn)場(chǎng)取樣，多家取樣、標(biāo)記編號(hào)之后，徹底打亂次序，統(tǒng)一由第二撥人員送到指定的檢測(cè)單位。在送檢的樣品中，再混上日本的碳纖維，同樣打亂編號(hào)，統(tǒng)一檢測(cè)后，再根據(jù)測(cè)試號(hào)對(duì)出是哪家單位的原絲和碳纖維，最后才公布結(jié)果。到現(xiàn)在來(lái)看，這種競(jìng)爭(zhēng)模式，讓碳纖維的研發(fā)基礎(chǔ)打得很牢固?！敝觳ɑ貞浾f(shuō)。

在碳纖維發(fā)展過(guò)程中，最值得稱頌與弘揚(yáng)的是科研人員的拼搏精神。他們沒(méi)日沒(méi)夜地加油干。教授、專家與工程人員、技術(shù)人員到一線干活。高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)聯(lián)動(dòng)，如同一家人一樣共同申請(qǐng)課題搞科研。大家始終撇開(kāi)個(gè)人利益，秉持國(guó)家情懷，將技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)放在首位。而這些都是碳纖維成功的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

然而，我們?nèi)砸吹絿?guó)產(chǎn)碳纖維與國(guó)外的差距。如果與日本對(duì)標(biāo)，目前國(guó)產(chǎn)碳纖維在核心技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化水平的穩(wěn)定性上仍與國(guó)外有不小的差距。尤其是我們還不能生產(chǎn)高強(qiáng)高模系列碳纖維。核心配方、核心裝備、核心工藝、核心輔料等方面均是制約因素。舉例來(lái)說(shuō)，制備高強(qiáng)高模碳纖維需要石墨化爐，石墨化爐溫度要達(dá)到2800°以上，但國(guó)內(nèi)受爐體原材料限制導(dǎo)致高溫裝備性能不穩(wěn)定，而且這些材料國(guó)外對(duì)我們是禁運(yùn)的。未來(lái)，高性能碳纖維的攻關(guān)仍要突破諸多難題，也需要國(guó)家持續(xù)的支持。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)生產(chǎn)出能用的碳纖維了，下一步，我們要向‘好用’和‘用得起’的碳纖維突破。”徐樑華憧憬地告訴記者未來(lái)碳纖維行業(yè)的努力方向。

警惕碳纖維熱

全國(guó)性的碳纖維熱是不少科研人員擔(dān)憂的事情。早在2005年前后，碳纖維的研發(fā)進(jìn)展引發(fā)了全國(guó)性的“碳纖維熱”，企業(yè)盲目重復(fù)投資建設(shè)了一批碳纖維生產(chǎn)線。日本碳纖維降價(jià)后，一些小企業(yè)因競(jìng)爭(zhēng)力不足，備受打擊。近兩年，碳纖維又慢慢熱起來(lái)，行業(yè)專家不免擔(dān)憂碳纖維熱會(huì)重蹈覆轍。

2017年，浙江泰先新材料股份有限公司向法院申請(qǐng)破產(chǎn)。2018年，沈陽(yáng)中恒也宣布破產(chǎn)。據(jù)徐樑華分析，這兩家碳纖維企業(yè)破產(chǎn)的原因在于產(chǎn)業(yè)規(guī)模和資金實(shí)力不足。碳纖維是一個(gè)運(yùn)營(yíng)周期很長(zhǎng)的行業(yè)。起初不少企業(yè)建廠瞄準(zhǔn)了軍用需求。但是國(guó)防軍用的需求十分有限。“目前中國(guó)有二十五六家碳纖維企業(yè)。相比之下，美國(guó)有2家，日本有3家。中國(guó)需要未來(lái)有效產(chǎn)能達(dá)到萬(wàn)噸的企業(yè)，3-5家碳纖維企業(yè)就夠了。畢竟碳纖維是小眾產(chǎn)品，市場(chǎng)需求并不大?！?/p>

對(duì)于近期碳纖維熱，工信部賽迪智庫(kù)原材料工業(yè)研究所副所長(zhǎng)曾昆告訴《經(jīng)濟(jì)》記者，這對(duì)行業(yè)產(chǎn)生的影響主要體現(xiàn)在以下三方面：一是導(dǎo)致資本等社會(huì)資源大量涌向碳纖維產(chǎn)業(yè)，容易造成低端產(chǎn)品過(guò)剩。二是短期投資熱容易造成行業(yè)過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)。資本競(jìng)相流向碳纖維市場(chǎng)必然引起行業(yè)短期競(jìng)爭(zhēng)加劇，國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)既要面對(duì)國(guó)外企業(yè)的價(jià)格打壓，又要和國(guó)內(nèi)行業(yè)進(jìn)行價(jià)格戰(zhàn)，企業(yè)盈利空間進(jìn)一步被擠壓。三是投機(jī)資本可能會(huì)引起產(chǎn)業(yè)的波動(dòng)。碳纖維產(chǎn)業(yè)投資周期長(zhǎng)，需要資本長(zhǎng)期支持。而短期資本的“投機(jī)”性質(zhì)，大進(jìn)大出容易影響產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。因此，我們不能忽視“碳纖維熱”對(duì)產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的影響。

繼往開(kāi)來(lái)加油干

在40年后的今天，碳纖維行業(yè)如何更上一層樓？眾多專家給出4點(diǎn)建議：一是，提高應(yīng)用設(shè)計(jì)能力。由于碳纖維復(fù)合材料較為特殊，我們還需要提高設(shè)計(jì)能力和原創(chuàng)能力，而不是習(xí)慣性地跟風(fēng)國(guó)外的應(yīng)用。同時(shí)，我們要加強(qiáng)在前沿性拓展的布局，高質(zhì)量和低成本地發(fā)展碳纖維。

二是，培養(yǎng)跨界人才。數(shù)學(xué)、物理學(xué)是從事非金屬材料應(yīng)用研究的重要基礎(chǔ)。如何增強(qiáng)人才隊(duì)伍的數(shù)理水平，徐樑華建議，組織跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)。譬如，將數(shù)理很強(qiáng)的材料力學(xué)設(shè)計(jì)的人才與材料界的人才快速融合，或許是突破材料應(yīng)用設(shè)計(jì)瓶頸的有效方法。

三是，打破同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)。目前國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)用同一種碳纖維制備工藝，80%的企業(yè)采用DMSO（二甲基亞砜）的工藝，而日本3家公司則采用3種不同的工藝。為了避免同種工藝路線受到局限，提高抵抗風(fēng)險(xiǎn)能力和差異化能力，我們需要?jiǎng)?chuàng)新制備工藝。

四是，建立碳纖維行業(yè)共享數(shù)據(jù)庫(kù)。2016年12月30日，四部委聯(lián)合發(fā)布《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，提出兩化融合，目的是促進(jìn)信息技術(shù)與新材料融合發(fā)展。不過(guò)，碳纖維材料的規(guī)格型號(hào)繁多，不僅有纖維絲束大小之分、性能高低不同，還存在不同的紡絲工藝、有不同的表面上漿劑；應(yīng)用環(huán)節(jié)涉及不同的纖維制品形式、不同的樹脂體系、不同的成型工藝和不同的構(gòu)件設(shè)計(jì)等。如果說(shuō)T300級(jí)碳纖維復(fù)合材料像一棵樹冠繁盛的數(shù)據(jù)樹，那么，碳纖維所有的數(shù)據(jù)就像一片森林。

“山東大學(xué)碳纖維中心已經(jīng)在建數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)了，相關(guān)領(lǐng)域智能制造工程也在實(shí)施中?！敝觳ǜ嬖V記者，碳纖維生產(chǎn)工藝很復(fù)雜，利用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)可預(yù)測(cè)高性能碳纖維研究方向。同時(shí)，碳纖維智能制造，對(duì)碳纖維批量化生產(chǎn)，提高質(zhì)量穩(wěn)定性和降低碳纖維生產(chǎn)成本意義重大。