中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速 成功研制T800碳纖維趕超日本

　　日前，媒體報(bào)道，一直被國(guó)外封鎖壟斷的T800碳纖維也在哈爾濱宣告實(shí)現(xiàn)了低成本國(guó)產(chǎn)化，其生產(chǎn)成本僅為國(guó)際價(jià)格的三分之一。在實(shí)現(xiàn)低端市場(chǎng)逐步替換國(guó)外產(chǎn)品的同時(shí)，在中高端市場(chǎng)上也打破了國(guó)外企業(yè)壟斷。更可貴的是，根據(jù)相關(guān)單位的論文和測(cè)試結(jié)果，國(guó)產(chǎn)T800型碳纖維在性能上完全不輸于日本東麗公司的同類產(chǎn)品，而在局部技術(shù)參數(shù)上更是具有一定優(yōu)勢(shì)。雖然今日中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展期，但也是經(jīng)歷了風(fēng)風(fēng)雨雨才有今天的成績(jī)。

　　自主研發(fā)遭遇困局，技術(shù)引進(jìn)折戟沉沙

　　1959年，日本發(fā)明了用聚丙烯腈為原絲加張力牽伸制造碳纖維的方法，西方于上世紀(jì)70年代開始商業(yè)化，隨后，由于碳纖維優(yōu)良的特性，被運(yùn)用于民用航空和軍事用途。

　　中國(guó)碳纖維研究始于60年代初，但由于當(dāng)時(shí)國(guó)際環(huán)境惡劣，且西方對(duì)于碳纖維這樣的軍民兩用技術(shù)對(duì)中國(guó)高度技術(shù)封鎖，加上國(guó)內(nèi)資源緊張，碳纖維的相關(guān)研究工作進(jìn)展相對(duì)有限。

　　直到1975年，在張愛萍將軍的部署下，聯(lián)合20多家研究所和企業(yè)共同攻關(guān)，終于解決了有無的問題。不過，這批產(chǎn)品也存在一定瑕疵，比如力學(xué)性能相對(duì)國(guó)外同類產(chǎn)品較為有限，成本上相對(duì)國(guó)外同類產(chǎn)品偏高等。

　　在之后的幾年里，國(guó)家累計(jì)投入2600多萬元，用于碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)，一定程度上滿足了部分國(guó)防軍工的需求。但是也存在很大一個(gè)問題——在產(chǎn)品質(zhì)量無法于日本相比的同時(shí)，成本卻大幅高于日本產(chǎn)品，而且技術(shù)差距有越來越大的趨勢(shì)……

　　正是因?yàn)檫@種情況，加上那個(gè)特殊年代對(duì)洋技術(shù)的無限頂禮膜拜，很多單位把希望寄托于引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)。某單位還承諾，對(duì)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)將給予資金支持。

　　然而事與愿違，由于巴統(tǒng)條約（巴黎統(tǒng)籌，是對(duì)社會(huì)主義國(guó)家實(shí)行禁運(yùn)和貿(mào)易限制的國(guó)際組織——觀察者網(wǎng)注）限制，國(guó)際上在技術(shù)方面處于第一梯隊(duì)的大公司都不愿意向中國(guó)轉(zhuǎn)讓技術(shù)，而且即便是購(gòu)買少量設(shè)備，也往往遭遇政治壁壘——上海碳素廠力圖從美國(guó)引進(jìn)設(shè)備的舉措因美國(guó)國(guó)防部干涉無疾而終。

　　因此，技術(shù)引進(jìn)的對(duì)象只能從那些技術(shù)處于中下游且不夠成熟的西方公司中選擇。最終，位于吉林和北京的兩家單位選擇了英國(guó)RK公司，然而RK公司的技術(shù)雖然略高于國(guó)內(nèi)，但在歐美日本卻算不上先進(jìn)水平。而且雖然沒有明確證據(jù)表明RK公司在技術(shù)上是否有所保留，或者故意使壞，但從結(jié)果上看，很難不讓人往陰謀論方面聯(lián)想。

　　兩個(gè)項(xiàng)目共耗資900萬美元左右，到1990年，吉林的那家單位的炭化爐始終無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)；北京那家單位耗費(fèi)了7年時(shí)間也未能成功，直到1993年“驗(yàn)收”，設(shè)備依舊無法正常運(yùn)行。

　　不得已，在2套引進(jìn)設(shè)備均無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，最后只能當(dāng)廢鐵賣了。技術(shù)引進(jìn)的失敗不僅耗費(fèi)了大筆經(jīng)費(fèi)，也浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間，這筆學(xué)費(fèi)不可謂不高昂。而且因技術(shù)引進(jìn)的失敗，導(dǎo)致和日本的技術(shù)差距拉得更大了。

　　總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)攻克難關(guān)

　　2000年，中國(guó)碳纖維研發(fā)正處于低谷，國(guó)內(nèi)只有三家單位還在勉強(qiáng)支撐，而且也僅僅是小批量供貨以滿足國(guó)防軍工的部分需要。

　　就在危急存亡之秋，金屬學(xué)及材料科學(xué)家?guī)煵w先生提出要發(fā)展碳纖維，師昌緒先生表示：中國(guó)的材料科技工作者解決了國(guó)防需要的成千上萬種新材料，碳纖維制備技術(shù)不能突破，是材料科技工作的重大失誤。師昌緒當(dāng)時(shí)已近80歲了，80歲以后完全可以少管點(diǎn)事，但他想抓一抓碳纖維，他認(rèn)為碳纖維上不去，國(guó)防安全無保證，將死不瞑目。

　　隨后，成立了以師昌緒先生為組長(zhǎng)的課題組（日常工作由李克健教授主持），負(fù)責(zé)聚丙稀腈基碳纖維發(fā)展對(duì)策研究。之后又聯(lián)合多個(gè)部門和單位，多次召開會(huì)議，對(duì)過去的決策失誤、研發(fā)力量分散、資金使用效率等問題做了討論，并形成了四點(diǎn)共識(shí)：對(duì)碳纖維的重要性和技術(shù)難度缺乏正確估計(jì)；投資嚴(yán)重不足，使用嚴(yán)重不當(dāng)；形不成國(guó)家攻關(guān)隊(duì)伍；缺乏創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新環(huán)境（李克健教授認(rèn)為這幾點(diǎn)共識(shí)雖然深度不夠，但也大體反映了實(shí)際狀況，再說過多的話，可能會(huì)影響隊(duì)伍團(tuán)結(jié)）。

　　正是這些努力，不僅對(duì)避免重蹈覆轍意義重大，還對(duì)爭(zhēng)取“十五”研究經(jīng)費(fèi)起到重要作用。之后，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)批準(zhǔn)碳纖維2個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目。2005年，碳纖維項(xiàng)目被批準(zhǔn)為國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目。

　　為了推進(jìn)碳纖維的研究，師昌緒先生提出要集中優(yōu)勢(shì)力量，打破門戶之別，組織國(guó)家隊(duì)，研制單位控制在2—3家，建立競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制等措施，這些舉措不僅對(duì)集中力量攻堅(jiān)有積極意義，也提高了經(jīng)費(fèi)的使用效率，避免了“多家瓜分，各行其事”的窘境。在積極自主研發(fā)的同時(shí)，也不放棄技術(shù)引進(jìn)的機(jī)會(huì)，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了相當(dāng)于日本東麗碳纖維T300水平的生產(chǎn)線（畢竟T300是上世紀(jì)70年代的東西，21世紀(jì)才引進(jìn)阻礙?。?，對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了一定作用。

　　正是師昌緒等一批老一輩科學(xué)家的極力推動(dòng)，和一大批默默無聞的年輕研究人員的無私奉獻(xiàn)，和國(guó)家的高度重視和大量資金投入，以及兩條腿走路的方針，使中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)度過了最艱難的時(shí)刻。

　　近年來，中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，碳纖維產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，具體情況如下圖。

　　但在看到進(jìn)步的同時(shí)，也要看到差距。目前，國(guó)際碳纖維市場(chǎng)的半壁江山被日本占據(jù)，在小絲束纖維產(chǎn)能上，日本企業(yè)占全球的49％，在大絲束碳纖維產(chǎn)能上，日本企業(yè)占全球產(chǎn)能的52％。

　　不僅產(chǎn)能上有差距，在產(chǎn)品質(zhì)量和使用用途上也有差距，目前國(guó)內(nèi)還無法商業(yè)化量產(chǎn)可以匹敵東麗T1000的產(chǎn)品，在用途方面，國(guó)產(chǎn)碳纖維主要用于自行車、高爾夫球棒和釣魚竿等體育休閑用品，而能夠用于航天航空的碳纖維產(chǎn)品相對(duì)較少。

　　國(guó)產(chǎn)T800可以替換東麗同類產(chǎn)品

　　所謂T300、T800、T1000等稱謂，其實(shí)是日本東麗公司的碳纖維型號(hào)，只是由于東麗公司在行業(yè)內(nèi)的地位，所以導(dǎo)致其型號(hào)在媒體的報(bào)道中，無形中演化成類似于某種強(qiáng)度的碳纖維標(biāo)桿。從中其實(shí)也能看出日本企業(yè)在碳纖維領(lǐng)域的行業(yè)地位。

　　在集成電路領(lǐng)域中，三星的14nm制造工藝雖然和Intel的14nm制造工藝同屬于14nm，但采用三星工藝加工出來的芯片在性能、功耗等方面與Intel的相比卻存在一定差距。那么，國(guó)產(chǎn)的T800和日本東麗的T800也存在類似同屬T800，但產(chǎn)品性能卻遜色不少的情況么？

　　一篇由中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司、北京航空材料研究院、先進(jìn)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、核工業(yè)理化工程研究院、北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院技術(shù)人員共同署名發(fā)表的論文對(duì)國(guó)產(chǎn)T800碳纖維和日本東麗T800碳纖維做了非常詳細(xì)的測(cè)試。

　　在測(cè)試中，研究人員采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的S4800N型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察碳纖維的表面形貌，并計(jì)算纖維直徑。采用美國(guó)Veeco公司生產(chǎn)的D3000型原子力顯微鏡，觀察碳纖維表面形貌，分析表面粗糙度。采用英國(guó)Kratos公司生產(chǎn)的X射線光電子能譜儀，分析碳纖維的表面成分。采用北京航空航天大學(xué)研制的微脫黏試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試?yán)w維與基體樹脂的界面剪切強(qiáng)度。采用美國(guó)Instron公司生產(chǎn)的5982型材料電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料室溫干態(tài)力學(xué)性能。測(cè)試表明：

　　在表面物理態(tài)上，相對(duì)于東麗T800H碳纖維，國(guó)產(chǎn)T800碳纖維的表面較為粗糙，沿纖維軸向分布著更密集的溝槽，且溝槽的深度也較深，這種形貌特征有利于提高國(guó)產(chǎn)T800碳纖維與基體樹脂的機(jī)械嚙合作用，從而提高復(fù)合材料的界面性能。

　?。═800H碳纖維和國(guó)產(chǎn)T800碳纖維的AFM照片）

　　由于國(guó)產(chǎn)T800碳纖維的氧碳原子比約為T800碳纖維約為31.2％，約為東麗T800H碳纖維的2倍，因此，國(guó)產(chǎn)T800碳纖維能夠通過化學(xué)鍵合或分子間作用力與基體樹脂形成相互作用，從而提高復(fù)合材料的界面性能。加上之前提到的在表面物理態(tài)上的差異，使得國(guó)產(chǎn)T800碳纖維與HT-280樹脂能形成更好的界面黏結(jié)。

　　而測(cè)試也證明了這一點(diǎn)，東麗T800H碳纖維與HT-280樹脂的界面剪切強(qiáng)度約為92MPa，國(guó)產(chǎn)T800碳纖維與HT-280樹脂的界面剪切強(qiáng)度約為117MPa，后者較前者高約27％。

　　在力學(xué)性能方面，國(guó)產(chǎn)T800／HT-280復(fù)合材料的0°拉伸、90°拉伸、彎曲、面內(nèi)剪切和層間剪切等力學(xué)性能均普遍高于東麗T800／HT-280復(fù)合材料。其中，90°拉伸強(qiáng)度高約25％，面內(nèi)剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度高約12％、層間剪切強(qiáng)度高約7％。

　?。═800H／HT-280復(fù)合材料和國(guó)產(chǎn)T800／HT-280復(fù)合材料90°拉伸試樣破壞SEM照片）

　　一篇中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的博士論文也證明：國(guó)產(chǎn)T800碳纖維拉伸強(qiáng)度平均值5.63GPa（東麗T800為5.49GPa），彈性模量平均值292GPa，斷裂伸長(zhǎng)率平均值1.9%，與東麗公司T800碳纖維產(chǎn)品一致，表明國(guó)產(chǎn)碳纖維力學(xué)性能完全達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平，且各項(xiàng)指標(biāo)Cv值均較低，穩(wěn)定性較好。國(guó)產(chǎn)T800碳纖維12K產(chǎn)品的元素成分和表面活性與東麗T800碳纖維12K產(chǎn)品比較一致。國(guó)產(chǎn)T800碳纖維整體可媲美日本東麗T800產(chǎn)品，完全可以取代國(guó)外同類產(chǎn)品加以推廣應(yīng)用。

相關(guān)閱讀：　中國(guó)T800碳纖維量產(chǎn)打破壟斷 成本僅為350元/公斤

　　結(jié)語

　　目前，日本是高檔碳纖維材料的主要生產(chǎn)國(guó)，日本東麗公司的T800系列碳纖維，是唯一被美國(guó)FAA批準(zhǔn)用于波音777關(guān)鍵飛行部件的碳纖維，航空工業(yè)中碳纖維的重要性不言而喻。

　　西方國(guó)家長(zhǎng)期對(duì)中國(guó)施行T800系列碳纖維禁運(yùn)，以阻止中國(guó)以此提高軍用飛機(jī)性能以及在國(guó)際航空航天材料中獲得競(jìng)爭(zhēng)力。2013年有中國(guó)商人在美國(guó)被控告非法采購(gòu)T800系列碳纖維。

　　必須指出的是，過去國(guó)內(nèi)雖然能做出與國(guó)外媲美的產(chǎn)品，但在成本上往往高于國(guó)外同類產(chǎn)品。而據(jù)哈爾濱人民政府網(wǎng)站1月16日?qǐng)?bào)道，天順化工將規(guī)?；a(chǎn)的T800級(jí)碳纖維的成本，控制到國(guó)際價(jià)格的三分之一，僅為350元/公斤，這實(shí)現(xiàn)在技術(shù)上能與國(guó)外同類產(chǎn)品爭(zhēng)鋒的同時(shí)，在定價(jià)上也占據(jù)主動(dòng)，這對(duì)國(guó)產(chǎn)T800碳纖維的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用就尤為關(guān)鍵了。

　　參考資料：

　　《國(guó)產(chǎn)T800碳纖維／雙馬來酰亞胺復(fù)合材料的界面及力學(xué)性能》，李偉東，張金棟，劉剛，鐘翔嶼，張代軍，包建文，肇研；

　　《久攻難克的碳纖維技術(shù)》，李克??；

　　《國(guó)產(chǎn) T800 碳纖維表征分析及樹脂基復(fù)合材料性能研究》，顧紅星。