图为部分使用碳纤维材料制造的C919客机。
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图为碳纤维生产车间。
徐 坚供图
习近平总书记指出：“新材料产业是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域，我们要奋起直追、迎头赶上。”新材料的开发应用，能够推动技术进步和产业升级，甚至推动人类社会迈上新台阶，比如半导体材料就带我们走进了信息社会。
放眼世界，材料学研究不断取得新突破，先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进石化化工材料等一批新材料纷纷涌现，为制造业和经济社会发展注入强劲动能。碳纤维就是新材料中应用非常广泛的一种。
一副由碳纤维制造的自行车车架，重量仅600克左右，相当于3个苹果；一根1米长的T1000级碳纤维，手指粗的一束，重量只有0.5克，可以拉动两架民航客机；碳纤维制品可在3000摄氏度高温下安然无恙，能在酸、碱、油、盐等各种腐蚀性环境里使用……碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、重量轻等诸多优异性能，在现代制造业中应用前景广阔，被誉为“工业黑色黄金”。
01细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁
碳纤维是一种碳含量在95%以上的无机纤维，由不同原料经聚合、纺丝、氧化、高温碳化而成。根据原料种类，碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维3种。其中，以石油化工产品丙烯腈为主要原料的聚丙烯腈基碳纤维，占世界碳纤维总产量的90%以上，是高性能碳纤维的最主要来源。
碳纤维具有细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁等优异性能。碳纤维直径通常为5—7微米，只有头发丝1/10左右粗细，密度较小，一般为钢的1/5、钛的2/5、铝的3/5。虽然“身轻体薄”，碳纤维强度却非常高，一般为钢的35倍。实际应用中，通常会将一定数量的碳纤维“细丝”像编绳子一样缠绕起来，一束标准的12K（即1.2万根）碳纤维不到一支铅笔粗，却可以承受130千克左右的重量。与此同时，碳纤维能在3000摄氏度高温下安然无恙，在零下100摄氏度到100摄氏度之间，其尺寸基本保持不变，并且能在高腐蚀性环境里使用，可谓“真金不怕火炼”。
要想获得这样的特性并不容易。碳纤维制备流程长、工艺复杂，难度堪比芯片和微纳光刻。碳纤维制备流程包括上百个细分工序，涉及高分子化学、高分子物理、材料科学、高分子加工与纺丝工程、工业自动化控制、高温工程等，其工艺控制点上千，工艺参数超过万项，每一项参数的变化都会影响碳纤维的最终性能。当前世界最先进的芯片光刻技术达到几纳米尺度，与之相似，高性能碳纤维也要求碳纤维内部缺陷控制在10纳米以内。碳纤维还要经过从普通室温到1700摄氏度甚至2500摄氏度的高温碳化，且温度精度要控制在5—10摄氏度，难度可见一斑。可以说，每一束碳纤维材料都是千锤百炼得来的。因为技术要求高、制造难度大，碳纤维价格比较昂贵，宇航级碳纤维价格在每千克数千元到万元之间，是钢和铝合金价格的几十倍，但碳纤维凭借其优异性能，依然成为国民经济和国防建设不可或缺的关键材料。
02现代制造业的支撑性材料
碳纤维兼具碳材料的高强度和纤维纺织材料的柔软可加工性。一束手指粗的高强度碳纤维可以拉动飞机，碳纤维还可以编织成纤维布，根据需要编织裁剪成特定形状，经树脂固化变成比高强钢强度更高的材料。因为拥有多种优异特性，碳纤维应用广泛，成为航空航天、电力、交通运输等高端装备、重大基础工程、新能源等领域重要支撑性材料。
在航空航天领域，碳纤维的用量常被作为衡量航空航天装备水平的重要标志。碳纤维复合材料可以用于飞机、卫星、火箭等的制造，还能帮助产品减小噪声、节约燃料。例如，民航客机使用碳纤维复合材料叶片，重量比传统钛合金减少500多公斤，机身整体重量减少1吨，飞机油耗大幅度降低，航程实现有效提升。将碳纤维加入推进剂和发射药中，还能改善推进剂的力学性能，提高推进剂燃速，改善发射药的燃烧性能。
在与民生息息相关的汽车和风电领域，碳纤维成为提升性能的利器。碳纤维复合材料的密度低、重量轻、刚度大、吸力大，碰撞时材料吸能能力高出钢结构6到7倍。将碳纤维复合材料用于汽车制造，能大幅提升汽车的加速性能、制动性能、减震性能、安全性能。比如高端精密的一级方程式赛车，各车型无一例外地应用碳纤维增强聚合物基复合材料制造车架、车身、底盘等，使车身减轻质量40%到60%，相当于钢结构质量的1/3到1/6，还保持了足够的强度和刚度。基于碳纤维材料，有的汽车生产企业已经制造出车身重量不到300千克的超级跑车。
在风电设备方面，叶片主梁是碳纤维复合材料的用武之地。这些主梁长度往往超过70米甚至达到120米，使用大丝束碳纤维进行制造，可以明显降低叶片重量，增加叶片刚度，产品性价比大幅提升，整个机组的发电效率、稳定性也随之提高。
在体育运动装备制造中，碳纤维也能一展身手。目前，将碳纤维用于高端体育装备制造，可以帮助运动员突破极限，创造新纪录。如在网球拍、自行车、高尔夫球杆、滑雪板、皮划艇制造中，充分发挥碳纤维材料重量轻的优势，可以减轻运动员“负担”。与铝合金球拍相比，运动员使用碳纤维制作的网球拍，可以将击打的最高球速提高20%，达到250公里/小时。未来，随着技术提升和成本降低，将会有更多运动装备用上碳纤维。
03产学研结合，做强碳纤维产业
进入新世纪以来，我国组织优势科技力量，开展碳纤维科学技术攻关。经过20余年不懈努力，碳纤维工程化、产业化、国产化取得突破性进展。今年8月，国产T1000级聚丙烯腈基碳纤维千吨级工业生产技术，通过专家委员会技术鉴定。紧接着，全国首个万吨级高性能碳纤维生产基地在西宁建成。中国碳纤维产业从无到有、从有到大、从大到优，技术水平和产业化发展势头良好，研究应用进入高速发展新阶段。
在这一产学研高度融合的生产领域，向市场提供种类丰富、质量稳定、产量充足、价格合理的系列产品，是碳纤维技术迭代升级的关键所在。按照国际通行标准，碳纤维产品会根据强度、模量划分为不同型号，如高强、高模、高强中模、高强高模等系列，其中高强系列又按拉伸强度分为T300、T800、T1000等型号。应用领域不同的碳纤维产品，好比一个个科研题目，需要逐个攻破。即便最低等级的T300碳纤维，强度也是一般汽车防撞梁的数倍，研发难度可想而知。在分子设计、聚合工程、凝固成型、装备精细化控制等软硬件技术合力支持下，我国在“十五”至“十三五”期间，先后突破T300、T700、T800级别聚丙烯腈基碳纤维关键技术，实现规模化生产。2022年，我国碳纤维产量已占全球1/3。
产量上去了，超高性能碳纤维生产也亟待我们“登顶”，实现规模化、稳定化生产。T1000级碳纤维是目前全球强度最高的碳纤维系列之一。国内碳纤维生产企业与深圳大学协同攻关，攻克了这项技术。经国内权威机构检测，在年产1700吨生产线上制备这类碳纤维产品，性能达到国际同级产品水平，产品质量合格率高于95%。随着生产稳步推进，T1000级碳纤维材料将助力满足我国高端工业领域日益增长的迫切需求。
在政策和市场双重推动下，我国碳纤维技术不断提升，碳纤维产业链逐渐完善。从奋起直追、迎头赶上到再接再厉、勇攀高峰，在实现高水平科技自立自强的路上，碳纤维技术将贡献更加坚实有力的“中国强度”。