碳纖維具有高強(qiáng)高模等性能優(yōu)勢

碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機(jī)高分子纖維，其中含碳量超過99%的又稱石墨纖維。碳纖維具有相當(dāng)獨(dú)特和出眾的物理和化學(xué)性能，它具有高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、、耐磨擦、耐高溫、導(dǎo)電和導(dǎo)熱等多種優(yōu)異的性能，堪稱材料工業(yè)的明珠。碳纖維與各種基體經(jīng)過復(fù)合工藝后制成的碳纖維復(fù)合材料，早就在航空航天和軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，碳纖維復(fù)合材料也在民用領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。簡單地說，碳纖維的密度僅有不到2噸/立方米，鋼材的數(shù)分之一，強(qiáng)度卻是鋼材的10倍以上，其性能優(yōu)勢可想而知。

碳纖維的關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)包括拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、斷裂伸長率等。拉伸強(qiáng)度是指材料在拉伸過程中可承受的最大應(yīng)力；拉伸模量是指材料拉伸時受到的應(yīng)力與形變的比值，模量值越高，表示碳纖維的剛度越好；伸長率是指斷裂前材料能被拉長的比例，伸長率越高，表示碳纖維的韌性越好。理論上碳纖維的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到180GPa，拉伸模量更是在1000GPa左右，雖然日本東麗公司已經(jīng)研制出拉伸強(qiáng)度9GPa的高強(qiáng)碳纖維，拉伸模量也達(dá)到690GPa的高模碳纖維，但兩者尤其是拉伸強(qiáng)度還有很大的發(fā)展?jié)摿?。碳纖維的斷裂伸長率指標(biāo)從早期的T300級別的1.5%增加到目前T1000級別的2.4%，有效緩解了碳纖維韌性不足的問題，進(jìn)一步了擴(kuò)展應(yīng)用范圍，如用于制造大型客機(jī)機(jī)體。

碳纖維的起源可以追溯到19世紀(jì)，英國人斯旺最早用碳絲制造電燈泡的燈絲，后來美國人愛迪生做出了實用的白熾燈碳燈絲，不過由于1910年庫里奇發(fā)明了拉制鎢絲的方法，燈絲全面改用鎢絲，早期的碳纖維研究被打入冷宮。20世紀(jì)50年代以后，為了解決導(dǎo)彈噴管和彈頭耐高溫和耐腐蝕等問題，美國研制出粘膠基碳纖維，碳纖維又一次登上歷史舞臺。1959年日本人近藤昭男發(fā)明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維，聚丙烯腈基碳纖維具有生產(chǎn)工藝成熟、綜合性能好和生產(chǎn)成本較低的優(yōu)勢，產(chǎn)量占碳纖維全部產(chǎn)量的90%以上。今天我們說的碳纖維，不指明的話一般指PAN基碳纖維。

按照碳纖維絲束中的單絲數(shù)量，聚丙烯腈基碳纖維又可分為小絲束和大絲束兩種。相比小絲束，大絲束的劣勢在于，在制作板材等結(jié)構(gòu)時，絲束不宜展開，導(dǎo)致單層厚度增加，不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計。此外，大絲束碳纖維粘連、斷絲等現(xiàn)象更多，這樣會使強(qiáng)度、剛度受影響，性能有所降低，性能的分散性也會較大。飛機(jī)、航天器一般只用小絲束碳纖維，因此小絲束碳纖維又被稱為"宇航級"碳纖維，大絲束碳纖維被稱為"工業(yè)級"碳纖維。

但是大絲束生產(chǎn)成本比小絲束低，而隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，人們對碳纖維材料結(jié)構(gòu)的熟悉，大絲束碳纖維越來越多用于對可靠性要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域。這樣，小絲束與大絲束之間區(qū)分也發(fā)生了變化，如早期曾以絲束中單絲數(shù)量12000根（12K）作為分界線，但目前單絲數(shù)量1K~24K的碳纖維被分為小絲束，而48K以上的的劃為大絲束。而空客公司在制造A380超大型客機(jī)時已經(jīng)開始使用了24K碳纖維，估計隨著技術(shù)的進(jìn)步，小絲束與大絲束之間的分界線還會向上推。

除了傳統(tǒng)的圓截面碳纖維，異形截面碳纖維也日益得到人們的關(guān)注，它使用特殊幾何形狀的噴絲板孔擠壓出來，具有抱合力強(qiáng)、力學(xué)性能高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是通過改變碳纖維的截面形狀可以提高吸波性能，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性吸波材料，在軍工領(lǐng)域得到了應(yīng)用，美國B-2等隱身飛機(jī)就使用了異形截面碳纖維作為吸波材料。

碳纖維材料具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其生產(chǎn)工藝流程長，需要突破的技術(shù)障礙很多。碳纖維的制造，可以分為原絲制造和碳化兩個關(guān)鍵過程。原絲制造，簡單地說是先通過丙烯腈聚合和紡紗等工藝，先聚合制成聚丙烯腈，再紡絲制出聚丙烯腈纖維原絲。聚丙烯腈原絲隨后進(jìn)行預(yù)氧化、低溫和高溫碳化等步驟，最后進(jìn)行表面處理、上漿烘干并收絲就得到了碳纖維。相對碳化，生產(chǎn)出高質(zhì)量的聚丙烯腈原絲更加關(guān)鍵，即使是東麗公司也曾因為原絲質(zhì)量在碳纖維研制過程中上摔過跟頭。要生產(chǎn)處高質(zhì)量的碳纖維，要降低生產(chǎn)成本，聚丙烯腈原絲須滿足高純化、高強(qiáng)化、均質(zhì)化、細(xì)纖度化和表面光潔等要求，這長期以來一直是碳纖維批量生產(chǎn)中最大的攔路虎。

6微米直徑的碳纖維單絲，背后是人類頭發(fā)。

美日在碳纖維行業(yè)居絕對領(lǐng)先地位

1962年日本東麗公司開始研制PAN基碳纖維，但由于原絲質(zhì)量不佳不得不停止研制，1967年后東麗公司重振旗鼓，研制適合制造碳纖維的共聚PAN級原絲，有突破了預(yù)氧化和碳化的工藝和設(shè)備。1971年東麗公司建成了年產(chǎn)12噸碳纖維的試驗生產(chǎn)線，1974年產(chǎn)能達(dá)到了156噸，東麗公司正式將該型碳纖維命名為T300。1980年東麗公司的碳纖維才達(dá)到今天標(biāo)準(zhǔn)T300碳纖維的3530MPa的拉伸強(qiáng)度，或者說東麗公司從研制出T300碳纖維到改進(jìn)完善用了大約10年時間之久。東麗公司此后又研制了T400、T700、T800、T1000、T1100、T1200等多個系列的高強(qiáng)度碳纖維，此外該公司還研制了M30、M35、M40、M46、M50、M55、M60和M70等多個系列的高模量（可以理解為高剛度）碳纖維。T系列高強(qiáng)度碳纖維中T300系列的拉伸模量為3530MPa，T700就達(dá)到了4900MPa，而T800進(jìn)一步提高到5490MPa，至于T1000更是高達(dá)6370MPa。由這些數(shù)據(jù)可以看到，雖然產(chǎn)品編號中數(shù)字越高性能越好，但T300或是T800等編號中的300、800等數(shù)字并沒有與性能數(shù)據(jù)具體對應(yīng)的含義。說到這里，大家或許意識到日本東麗公司在碳纖維行業(yè)中的地位了，其公司產(chǎn)品編號被行業(yè)直接用作碳纖維的分級。

東麗公司出產(chǎn)的各種碳纖維型號中，還有不同的字母后綴，如T300J、T400H、T700S和T700G等型號，其中J代表相比基本型號增強(qiáng)了拉伸強(qiáng)度，H表示相比基本型和J型號增強(qiáng)了拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，S代表拉伸強(qiáng)度最高的型號，G代表在S型號基礎(chǔ)上進(jìn)一步增強(qiáng)拉伸模量和粘合性能的型號。東麗公司已經(jīng)研制出了T1200型碳纖維，反而又新研制出T1100G的碳纖維，這是因為T1100G是T1100系列碳纖維中拉伸模量（剛度）最高的型號?；蛟S會有人問，為什么不直接使用東麗公司M系列的高模量碳纖維，而是要持續(xù)提高T系列高強(qiáng)度碳纖維的模量呢？東麗公司在宣布研制成功T1100G碳纖維時就已經(jīng)專門指出，高模量和高強(qiáng)度難以兩全。東麗公司的產(chǎn)品說明書中，M60JB的拉伸強(qiáng)度只有3820MPa，有些要求高強(qiáng)度但不要求那么高模量的場合，就只能使用T700G、T1000G等增強(qiáng)了模量的高強(qiáng)度碳纖維了。

日本和美國掌握著世界碳纖維的大多數(shù)產(chǎn)能，并控制了高端碳纖維的生產(chǎn)。日本東麗公司在PAN基碳纖維研制生產(chǎn)中最早起步，是日本碳纖維生產(chǎn)企業(yè)的代表。美國Hexcel公司也緊隨日本東麗的步伐，20世紀(jì)80年代美國研制的三叉戟II潛射導(dǎo)彈和侏儒小型機(jī)動洲際導(dǎo)彈都是用了Hexcel公司的IM7型碳纖維（大致相當(dāng)于T800級別）。目前世界上小絲束碳纖維的主要生產(chǎn)商包括日本東麗、日本東邦人造絲、日本三菱人造絲三家公司，美國的Hexcel公司和Cytec公司雖然產(chǎn)量相差較大，但技術(shù)上仍可與日本三巨頭媲美。此外臺灣臺塑公司擁有數(shù)千噸的產(chǎn)能，并在2013年開始批量供應(yīng)T800級碳纖維，土耳其阿克薩公司的低端T300碳纖維也在迅速擴(kuò)張。大絲束碳纖維的主要生產(chǎn)商包括美國Zoltek、Aldila公司，日本東邦、日本東麗和德國SGL公司等?？偟恼f來雖然美國Hexcel公司在小絲束生產(chǎn)、日本東麗公司在大絲束碳纖維生產(chǎn)上都有很強(qiáng)的實力，但美國在大絲束碳纖維生產(chǎn)上優(yōu)勢明顯，日本在小絲束碳纖維的生產(chǎn)上壟斷地位更為穩(wěn)固。

由于碳纖維優(yōu)秀的力學(xué)性能，碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方面的應(yīng)用非常廣泛，在對質(zhì)量斤斤計較的航空航天領(lǐng)域，如飛機(jī)機(jī)體、導(dǎo)彈/火箭殼體、衛(wèi)星承力筒等多個用途中，對比傳統(tǒng)金屬材料，碳纖維有很強(qiáng)的性能優(yōu)勢。碳纖維復(fù)合材料用量較大而場合是民航客機(jī)，自美國波音公司的777客機(jī)大量使用碳纖維以來，波音777和787客機(jī)，空中客車公司的A380和A350XWB客機(jī)都大量使用碳纖維復(fù)合材料。美國波音公司的787客機(jī)主要使用日本東麗公司的24K絲束的T800碳纖維復(fù)合材料，同時也使用了部分美國Hexcel公司的碳纖維復(fù)合材料。歐洲空中客車公司的350XWB客機(jī)也使用了美國Hexcel公司的IM7碳纖維。Hexcel公司還將向中國商飛研制的大型客機(jī)提供碳纖維材料，不僅如此，中國商飛C919、波音737 MAX和空中客車A320 NEO等客機(jī)使用的新一代LEAP發(fā)動機(jī)的葉片也使用了Hexcel公司提供的碳纖維復(fù)合材料。各國軍用飛機(jī)上更是廣泛使用了各種碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，不過這些高性能碳纖維同樣基本由日本和美國公司研制生產(chǎn)和提供。

在航天領(lǐng)域，如衛(wèi)星的太陽能電池陣列結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星和航天器的本體尤其是承力結(jié)構(gòu)等，碳纖維得到了廣泛應(yīng)用。國際空間站巨大的桁架架構(gòu)就使用了碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。美國波音公司還正在為下一代運(yùn)載火箭研制革命性的碳纖維復(fù)合材料推進(jìn)劑儲箱，目前已經(jīng)研制出5.5米直徑的碳纖維儲箱。從實際產(chǎn)品數(shù)據(jù)看，碳纖維推進(jìn)劑儲箱的質(zhì)量可以比現(xiàn)有的鋁合金儲箱降低30%，從而顯著降低火箭各級的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。碳纖維的導(dǎo)電性很好而且沒有磁性，可用于電磁屏蔽等多方面用途，使用它制造衛(wèi)星的天線兼顧了質(zhì)量和導(dǎo)電性，同樣擁有比金屬天線更好的性能，目前越來越多的衛(wèi)星天線使用了高模量的碳纖維復(fù)合材料。

碳纖維不僅在高端的航空航天市場大放異彩，在化工、發(fā)電、醫(yī)療、交通和建筑等領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用，尤其是風(fēng)力發(fā)電的葉片廣泛使用了碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為碳纖維復(fù)合材料的重要市場之一。隨著各國節(jié)能減排要求的提高，汽車工業(yè)也越來越多的使用碳纖維，尤其是電動車為了降低汽車整車質(zhì)量，更是對碳纖維復(fù)合材料如饑似渴。目前歐美日各大汽車研制和生產(chǎn)廠商都在開發(fā)基于碳纖維復(fù)合材料的車型，可以預(yù)見未來汽車市場將成為碳纖維復(fù)合材料的主要市場。碳纖維誕生以后，20世紀(jì)70年代就已經(jīng)用于釣魚竿的生產(chǎn)，今天的體育產(chǎn)業(yè)更是碳纖維復(fù)合材料的主要用戶之一，目前世界上很大一部分碳纖維都使用在釣魚竿、網(wǎng)球拍、自行車等各種體育用品上。

新一代LEAP渦扇發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片也用碳纖維制造。

建造期間的國際空間站，其巨大的桁架也由碳纖維復(fù)合材料制造。

我國碳纖維生產(chǎn)落后美日30年

我國碳纖維的發(fā)展并不晚，東麗公司研制出碳纖維前后，我國就開始獨(dú)立研制碳纖維。不過遺憾的是，從20世紀(jì)70年代中期開始經(jīng)過近40年發(fā)展，我國的碳纖維產(chǎn)業(yè)總體研制和生產(chǎn)水平還還很落后，無法與美日公司在市場上正面競爭。

最直觀的例子是，日本東麗和美國Hexcel公司在上世紀(jì)80年代就研制成功T800/IM7級別的高強(qiáng)度碳纖維，而我國剛完成T800級別碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的突破，最終批量生產(chǎn)的質(zhì)量和成本如何還有待觀察，可以說落后美日30年。我國目前只能較為穩(wěn)定的大批量生產(chǎn)相當(dāng)于東麗公司T300級別的碳纖維，相當(dāng)于T700級別的碳纖維，國內(nèi)只有少數(shù)單位和企業(yè)能小規(guī)模生產(chǎn)，但日美碳纖維企業(yè)都開始準(zhǔn)備批量生產(chǎn)T1000級別的碳纖維了。我國也沒有批量生產(chǎn)高模量碳纖維的能力，導(dǎo)致很多時候不得不冒巨大的風(fēng)險走私東麗公司的MJ50、MJ60等高模量碳纖維。

但即便是T300級別的碳纖維，由于生產(chǎn)技術(shù)上的落后，忽視高質(zhì)量聚丙烯腈的生產(chǎn)，絕大部分國內(nèi)廠家生產(chǎn)成本居高不下。目前國產(chǎn)T300級別碳纖維售價達(dá)到了進(jìn)口東麗公司T700級別碳纖維的價格，能有什么樣的市場表現(xiàn)也就可想而知了。近些年來，隨著政府在產(chǎn)業(yè)政策方面的支持，我國碳纖維行業(yè)呈現(xiàn)全面開花、大干快上的局面，全國各地規(guī)劃的碳纖維產(chǎn)能甚至超過了我國之外全世界的碳纖維產(chǎn)能。但這只不過是虛假的繁榮，2012年我國碳纖維生產(chǎn)線設(shè)計產(chǎn)能超過了2萬噸，但實際產(chǎn)量只有2000噸左右，而且完全是生產(chǎn)越多虧損越多的局面，同時我國卻還在進(jìn)口上萬噸的碳纖維產(chǎn)品滿足國民經(jīng)濟(jì)的需求。我國目前號稱要建設(shè)的碳纖維生產(chǎn)線建成后，設(shè)計產(chǎn)能將達(dá)到約8萬噸，幾乎相當(dāng)于2013年我國以外全世界的碳纖維產(chǎn)能。但成本居高不下的低端碳纖維生產(chǎn)線即使建成，又能發(fā)揮什么作用呢？恐怕除了增加銀行的不良貸款，就是讓碳纖維生產(chǎn)線的開工率再下降一個甚至幾個臺階。

我國企業(yè)的碳纖維生產(chǎn)線

我國碳纖維行業(yè)還面臨著國際碳纖維行業(yè)巨頭的蓄意壓制。近些年來我國可以穩(wěn)定批量生產(chǎn)一個級別的碳纖維后，東麗、東邦和Hexcel等企業(yè)的對華銷售價格就大幅下降一次，如2010年12K的T300級碳纖維還要24萬元每噸，2012年就下降到12萬元每噸，現(xiàn)在T700級碳纖維的價格也開始穩(wěn)步下降。國際巨頭們的營銷策略雖然有利于我國碳纖維應(yīng)用廠商的發(fā)展，但卻對我國碳纖維生產(chǎn)廠商造成了巨大的成本壓力。目前國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)面臨著一生產(chǎn)就虧損，生產(chǎn)越多虧損越多的極端不利局面，大部分企業(yè)只能減產(chǎn)甚至停產(chǎn)，這也是國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)設(shè)計產(chǎn)能高但實際產(chǎn)量低的根本原因之一。

所以，我國碳纖維行業(yè)目前仍處于大浪淘沙的混沌階段，未來能獲得成功的或許只會是那些重視技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品質(zhì)量、專注于高性能產(chǎn)品的企業(yè)。因為我國軍事現(xiàn)代化進(jìn)程仍在加速，軍工、航天航空領(lǐng)域未來肯定需要大量T800以上級別的碳纖維，在高性能碳纖維方面我國遭受著國際禁運(yùn)，國內(nèi)廠家只要能提供高品質(zhì)產(chǎn)品，即便成本價格貴一些，也能獲得軍工采購。此外，高性能產(chǎn)品還避開了美日碳纖維巨頭的傾銷打壓，開拓國內(nèi)民用市場也更容易一些。

碳纖維的生產(chǎn)固然重要，它的應(yīng)用技術(shù)也是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我們前面介紹的只是碳纖維絲線，應(yīng)用還需要對絲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)成型。目前碳纖維成型工藝包括接觸成型、噴射成型、纏繞成型、拉擠成型、模壓成型以及編織成型等多種方式。日本三大碳纖維巨頭雖然產(chǎn)能占據(jù)了半壁江山還多，技術(shù)上也與美國平分秋色，但碳纖維材料成型以及應(yīng)用上與美國相差很大，典型如日本H-IIA火箭使用的固體助推器，其碳纖維復(fù)合材料殼體的制造工藝就是美國ATK公司轉(zhuǎn)讓給日本IHI公司的。美國在軍工和民用領(lǐng)域數(shù)十年積累的豐富經(jīng)驗，是日本遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能比擬的。波音公司的787客機(jī)雖然大量使用了日本東麗公司的的碳纖維，但從碳纖維復(fù)合材料的樹脂材料到更后端的加工和設(shè)備，完全是美國公司壟斷。例如波音787客機(jī)中段機(jī)身的承包商是日本川崎公司，其生產(chǎn)完全在日本進(jìn)行，但除了東麗的24K絲束T800碳纖維絲線，這個碳纖維機(jī)身的制造，從工藝技術(shù)到機(jī)器設(shè)備完全要從美國進(jìn)口。

正在纏繞碳纖維外殼的法國M51洲際導(dǎo)彈二級發(fā)動機(jī)，碳纖維的成型應(yīng)用技術(shù)也很重要。

美國全球鷹無人機(jī)機(jī)翼由碳纖維復(fù)合材料制成，這是其最大制造難點(diǎn)。

綜上所述，美日企業(yè)掌握了世界碳纖維產(chǎn)業(yè)的大部分產(chǎn)能和技術(shù)，日本在碳纖維的產(chǎn)量上雖然超過了美國，但美國擁有從科研、制造到應(yīng)用的最完整和最先進(jìn)的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈。我國目前仍在努力研制高性能的碳纖維，但即使不考慮民用領(lǐng)域的發(fā)展，僅僅從滿足國防軍工和航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴祭w維復(fù)合材料的要求而言，也應(yīng)重視熱壓罐、自動鋪帶機(jī)/鋪絲機(jī)等成型應(yīng)用設(shè)備的發(fā)展。畢竟我國并非日本，不可能在偏科的情況下得到美國老大哥的熱心幫助