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碳纖維——應(yīng)用前景廣闊的高新材料

習(xí)近平總書記指出：“新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是高技術(shù)競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域，我們要奮起直追、迎頭趕上?！毙虏牧系拈_發(fā)應(yīng)用，能夠推動技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級，甚至推動人類社會邁上新臺階，比如半導(dǎo)體材料就帶我們走進了信息社會。

　　放眼世界，材料學(xué)研究不斷取得新突破，先進鋼鐵材料、先進有色金屬材料、先進石化化工材料等一批新材料紛紛涌現(xiàn)，為制造業(yè)和經(jīng)濟社會發(fā)展注入強勁動能。碳纖維就是新材料中應(yīng)用非常廣泛的一種。

一副由碳纖維制造的自行車車架，重量僅600克左右，相當(dāng)于3個蘋果；一根1米長的T1000級碳纖維，手指粗的一束，重量只有0.5克，可以拉動兩架民航客機；碳纖維制品可在3000攝氏度高溫下安然無恙，能在酸、堿、油、鹽等各種腐蝕性環(huán)境里使用……碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、耐腐蝕、重量輕等諸多優(yōu)異性能，在現(xiàn)代制造業(yè)中應(yīng)用前景廣闊，被譽為“工業(yè)黑色黃金”。

細如發(fā)絲、輕若鴻毛、強過鋼鐵

碳纖維是一種碳含量在95%以上的無機纖維，由不同原料經(jīng)聚合、紡絲、氧化、高溫碳化而成。根據(jù)原料種類，碳纖維主要有聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維和瀝青基碳纖維3種。其中，以石油化工產(chǎn)品丙烯腈為主要原料的聚丙烯腈基碳纖維，占世界碳纖維總產(chǎn)量的90%以上，是高性能碳纖維的最主要來源。

碳纖維具有細如發(fā)絲、輕若鴻毛、強過鋼鐵等優(yōu)異性能。碳纖維直徑通常為5—7微米，只有頭發(fā)絲1/10左右粗細，密度較小，一般為鋼的1/5、鈦的2/5、鋁的3/5。雖然“身輕體薄”，碳纖維強度卻非常高，一般為鋼的35倍。實際應(yīng)用中，通常會將一定數(shù)量的碳纖維“細絲”像編繩子一樣纏繞起來，一束標(biāo)準的12K（即1.2萬根）碳纖維不到一支鉛筆粗，卻可以承受130千克左右的重量。與此同時，碳纖維能在3000攝氏度高溫下安然無恙，在零下100攝氏度到100攝氏度之間，其尺寸基本保持不變，并且能在高腐蝕性環(huán)境里使用，可謂“真金不怕火煉”。

　　要想獲得這樣的特性并不容易。碳纖維制備流程長、工藝復(fù)雜，難度堪比芯片和微納光刻。碳纖維制備流程包括上百個細分工序，涉及高分子化學(xué)、高分子物理、材料科學(xué)、高分子加工與紡絲工程、工業(yè)自動化控制、高溫工程等，其工藝控制點上千，工藝參數(shù)超過萬項，每一項參數(shù)的變化都會影響碳纖維的最終性能。當(dāng)前世界最先進的芯片光刻技術(shù)達到幾納米尺度，與之相似，高性能碳纖維也要求碳纖維內(nèi)部缺陷控制在10納米以內(nèi)。碳纖維還要經(jīng)過從普通室溫到1700攝氏度甚至2500攝氏度的高溫碳化，且溫度精度要控制在5—10攝氏度，難度可見一斑?？梢哉f，每一束碳纖維材料都是千錘百煉得來的。因為技術(shù)要求高、制造難度大，碳纖維價格比較昂貴，宇航級碳纖維價格在每千克數(shù)千元到萬元之間，是鋼和鋁合金價格的幾十倍，但碳纖維憑借其優(yōu)異性能，依然成為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)不可或缺的關(guān)鍵材料。

現(xiàn)代制造業(yè)的支撐性材料

　　碳纖維兼具碳材料的高強度和纖維紡織材料的柔軟可加工性。一束手指粗的高強度碳纖維可以拉動飛機，碳纖維還可以編織成纖維布，根據(jù)需要編織裁剪成特定形狀，經(jīng)樹脂固化變成比高強鋼強度更高的材料。因為擁有多種優(yōu)異特性，碳纖維應(yīng)用廣泛，成為航空航天、電力、交通運輸?shù)雀叨搜b備、重大基礎(chǔ)工程、新能源等領(lǐng)域重要支撐性材料。

　　在航空航天領(lǐng)域，碳纖維的用量常被作為衡量航空航天裝備水平的重要標(biāo)志。碳纖維復(fù)合材料可以用于飛機、衛(wèi)星、火箭等的制造，還能幫助產(chǎn)品減小噪聲、節(jié)約燃料。例如，民航客機使用碳纖維復(fù)合材料葉片，重量比傳統(tǒng)鈦合金減少500多公斤，機身整體重量減少1噸，飛機油耗大幅度降低，航程實現(xiàn)有效提升。將碳纖維加入推進劑和發(fā)射藥中，還能改善推進劑的力學(xué)性能，提高推進劑燃速，改善發(fā)射藥的燃燒性能。

在與民生息息相關(guān)的汽車和風(fēng)電領(lǐng)域，碳纖維成為提升性能的利器。碳纖維復(fù)合材料的密度低、重量輕、剛度大、吸力大，碰撞時材料吸能能力高出鋼結(jié)構(gòu)6到7倍。將碳纖維復(fù)合材料用于汽車制造，能大幅提升汽車的加速性能、制動性能、減震性能、安全性能。比如高端精密的一級方程式賽車，各車型無一例外地應(yīng)用碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料制造車架、車身、底盤等，使車身減輕質(zhì)量40%到60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量的1/3到1/6，還保持了足夠的強度和剛度。基于碳纖維材料，有的汽車生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)制造出車身重量不到300千克的超級跑車。

　　在風(fēng)電設(shè)備方面，葉片主梁是碳纖維復(fù)合材料的用武之地。這些主梁長度往往超過70米甚至達到120米，使用大絲束碳纖維進行制造，可以明顯降低葉片重量，增加葉片剛度，產(chǎn)品性價比大幅提升，整個機組的發(fā)電效率、穩(wěn)定性也隨之提高。

　　在體育運動裝備制造中，碳纖維也能一展身手。目前，將碳纖維用于高端體育裝備制造，可以幫助運動員突破極限，創(chuàng)造新紀錄。如在網(wǎng)球拍、自行車、高爾夫球桿、滑雪板、皮劃艇制造中，充分發(fā)揮碳纖維材料重量輕的優(yōu)勢，可以減輕運動員“負擔(dān)”。與鋁合金球拍相比，運動員使用碳纖維制作的網(wǎng)球拍，可以將擊打的最高球速提高20%，達到250公里/小時。未來，隨著技術(shù)提升和成本降低，將會有更多運動裝備用上碳纖維。

　　產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，做強碳纖維產(chǎn)業(yè)

　　進入新世紀以來，我國組織優(yōu)勢科技力量，開展碳纖維科學(xué)技術(shù)攻關(guān)。經(jīng)過20余年不懈努力，碳纖維工程化、產(chǎn)業(yè)化、國產(chǎn)化取得突破性進展。今年8月，國產(chǎn)T1000級聚丙烯腈基碳纖維千噸級工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，通過專家委員會技術(shù)鑒定。緊接著，全國首個萬噸級高性能碳纖維生產(chǎn)基地在西寧建成。中國碳纖維產(chǎn)業(yè)從無到有、從有到大、從大到優(yōu)，技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢頭良好，研究應(yīng)用進入高速發(fā)展新階段。

　　在這一產(chǎn)學(xué)研高度融合的生產(chǎn)領(lǐng)域，向市場提供種類豐富、質(zhì)量穩(wěn)定、產(chǎn)量充足、價格合理的系列產(chǎn)品，是碳纖維技術(shù)迭代升級的關(guān)鍵所在。按照國際通行標(biāo)準，碳纖維產(chǎn)品會根據(jù)強度、模量劃分為不同型號，如高強、高模、高強中模、高強高模等系列，其中高強系列又按拉伸強度分為T300、T800、T1000等型號。應(yīng)用領(lǐng)域不同的碳纖維產(chǎn)品，好比一個個科研題目，需要逐個攻破。即便最低等級的T300碳纖維，強度也是一般汽車防撞梁的數(shù)倍，研發(fā)難度可想而知。在分子設(shè)計、聚合工程、凝固成型、裝備精細化控制等軟硬件技術(shù)合力支持下，我國在“十五”至“十三五”期間，先后突破T300、T700、T800級別聚丙烯腈基碳纖維關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。2022年，我國碳纖維產(chǎn)量已占全球1/3。

產(chǎn)量上去了，超高性能碳纖維生產(chǎn)也亟待我們“登頂”，實現(xiàn)規(guī)?；?、穩(wěn)定化生產(chǎn)。T1000級碳纖維是目前全球強度最高的碳纖維系列之一。國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)與深圳大學(xué)協(xié)同攻關(guān)，攻克了這項技術(shù)。經(jīng)國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)檢測，在年產(chǎn)1700噸生產(chǎn)線上制備這類碳纖維產(chǎn)品，性能達到國際同級產(chǎn)品水平，產(chǎn)品質(zhì)量合格率高于95%。隨著生產(chǎn)穩(wěn)步推進，T1000級碳纖維材料將助力滿足我國高端工業(yè)領(lǐng)域日益增長的迫切需求。

　　在政策和市場雙重推動下，我國碳纖維技術(shù)不斷提升，碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈逐漸完善。從奮起直追、迎頭趕上到再接再厲、勇攀高峰，在實現(xiàn)高水平科技自立自強的路上，碳纖維技術(shù)將貢獻更加堅實有力的“中國強度”。

　　（作者為深圳大學(xué)教授、中國復(fù)合材料學(xué)會副理事長）

　　推薦讀物

　　《碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)》：《碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)》編委會著；科學(xué)出版社出版。

　　《碳纖維及石墨纖維》：賀福編著；化學(xué)工業(yè)出版社出版。

　

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