碳纖維是含碳量高于95％的無(wú)機(jī)高分子纖維，具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、高化學(xué)穩(wěn)定性、抗疲勞、耐磨擦等優(yōu)異的物理及化學(xué)性能，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數(shù)等。以碳纖維作為增強(qiáng)材料的先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞和熱膨脹系數(shù)小等一系列的優(yōu)異性能。碳纖維及其復(fù)合材料優(yōu)異的性能使其被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、車(chē)輛制造、武器裝備、工程機(jī)械、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、海洋工程、石油工程、風(fēng)力能源、體育用品等領(lǐng)域。

 

       目前全球最大的碳纖維及復(fù)合材料供應(yīng)商主要集中在日本，日本碳纖維產(chǎn)業(yè)水平居全球第一，主要領(lǐng)頭企業(yè)為日本東麗公司、帝人公司和三菱化學(xué)。2018年3 月28日，日本東麗公司宣布推出新碳纖維復(fù)合材料成型工藝——CFRP （CarbonFiber Reinforced Plastics）新型真空壓力成型工藝，該技術(shù)在提高部件尺寸精度的同時(shí)，還能降低生產(chǎn)過(guò)程中的能耗。2018年11月1 日，日本東麗公司宣布開(kāi)發(fā)出新型的TORAYCAMX 系列碳纖維，同時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度和拉伸模量。美國(guó)是繼日本之后掌握碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家之一，是碳纖維及復(fù)合材料的應(yīng)用大國(guó)。

 

       目前我國(guó)高性能碳纖維材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，針對(duì)市場(chǎng)主要為航空航天領(lǐng)域，同時(shí)著力瞄準(zhǔn)新能源市場(chǎng)，包括風(fēng)力發(fā)電、壓力容器（儲(chǔ)氫罐），以及潛在的新型汽車(chē)輕量化材料市場(chǎng)。但我國(guó)的碳纖維材料產(chǎn)品大多仍處在試運(yùn)行、少量裝機(jī)等階段，與下游產(chǎn)業(yè)的合作仍需加強(qiáng)。應(yīng)用端開(kāi)發(fā)不充分也導(dǎo)致了大量碳纖維生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能虛高，企業(yè)運(yùn)營(yíng)壓力較大。2018年，我國(guó)各大碳纖維企業(yè)陸續(xù)在碳纖維及復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)能方面取得突破。2018年9月，中國(guó)新一代全碳纖維復(fù)合材料地鐵車(chē)體全球發(fā)布，采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)，與鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車(chē)輛的車(chē)體、司機(jī)室、設(shè)備艙分別減重 30％以上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重40％，整車(chē)減重13％；2018年8月17日，吉林化纖自主研發(fā)的48K大絲束碳纖維原絲順利通過(guò)碳化并持續(xù)批量生產(chǎn)。碳化效果遠(yuǎn)超預(yù)期，各項(xiàng)指標(biāo)均超過(guò)了日本東麗T300水平，是繼24K碳纖維成功市場(chǎng)化后的又一碳纖維新產(chǎn)品。

 

       碳纖維領(lǐng)域研發(fā)成果不斷涌現(xiàn)，大部分突破性成果來(lái)自日本和美國(guó)。最新前沿技術(shù)不僅聚焦于碳纖維生產(chǎn)制備技術(shù)，也投射于汽車(chē)材料輕量化、3D打印、發(fā)電材料等更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。另外，碳纖維材料的回收循環(huán)利用、木質(zhì)素基碳纖維制備等方面也取得一系列成果。日本非常重視碳纖維技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)、政府、高校積極合作推進(jìn)碳纖維技術(shù)研發(fā)。2013年，日本在“未來(lái)開(kāi)拓研究計(jì)劃”框架之下，推進(jìn)“革新性新結(jié)構(gòu)材料等技術(shù)開(kāi)發(fā)”；日本早稻田大學(xué)的細(xì)井厚志副教授等人研發(fā)出碳纖維塑料（CFRP）與鋁輕質(zhì)材料連接的新技術(shù)。在鋁表面制造針狀微小突起，加熱溶解后的 CFRP 容易進(jìn)入微小的突起間隔。它有助于減輕汽車(chē)和電子設(shè)備的重量，預(yù)計(jì)3年后實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。美國(guó)也持續(xù)開(kāi)啟了多次碳纖維研究項(xiàng)目。國(guó)防預(yù)研局（DARPA）在 2006 年啟動(dòng)先進(jìn)結(jié)構(gòu)纖維項(xiàng)目；2019年1 月，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的 Satich Kumar 團(tuán)隊(duì)采用聚丙烯腈（PAN）纖維為原料，成功制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò) 40％的納米微晶纖維素（CNC）碳纖維。PAN/CNC基碳纖維的拉伸強(qiáng)度在 1.8GPa~2.3GPa 范圍內(nèi)，拉伸模量在 220GPa~265GPa 范圍內(nèi)。

 

       通過(guò)國(guó)家973項(xiàng)目的支持，我國(guó)目前在科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)領(lǐng)域已經(jīng)取得了相應(yīng)的突破，就關(guān)鍵技術(shù)而言，主要包括低缺陷均質(zhì)原絲的制備技術(shù)、預(yù)氧化環(huán)結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)、碳化過(guò)程微晶生長(zhǎng)控制技術(shù)、各單元匹配協(xié)同技術(shù)，以及裝備制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化集成技術(shù)等。2019年1月22 日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員張壽春團(tuán)隊(duì)圍繞T1000級(jí)超高強(qiáng)碳纖維制備，承擔(dān)了中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目，已通過(guò)中科院組織的專(zhuān)家驗(yàn)收。

 

       國(guó)際高性能纖維及復(fù)合材料市場(chǎng)正在迎來(lái)空前的發(fā)展期，我國(guó)已在關(guān)鍵技術(shù)、裝備、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以及下游應(yīng)用領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，未來(lái)我國(guó)會(huì)繼續(xù)通過(guò)高性能纖維及復(fù)合材料等關(guān)鍵材料和技術(shù)的自主研發(fā)、產(chǎn)業(yè)上的聯(lián)動(dòng)突破，逐步實(shí)現(xiàn)從根本上擺脫高性能纖維受到的限制，實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。

 

       針對(duì)我國(guó)高性能纖維及復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)天津研究院提出具體建議，建議內(nèi)容詳見(jiàn)《中國(guó)新材料技術(shù)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》原文