碳纖維：引領制造業的未來

王煜

2018世界人工智能大會將在徐匯西岸舉行未來感十足的“城市家具”，通過機器人將玻璃纖維和碳纖維纏繞制成，不需要模具，降低了浪費，彰顯了科技和藝術的結合 。

說起碳纖維，一般人對它既熟悉又陌生。熟悉的是，從筆記本電腦外殼到汽車零部件，再到飛機部件、航天設備，許多領域都可以看到它的身影。陌生則在于，碳纖維目前屬于“貴族產品”，還沒有全面進入生活的各個領域，與大眾尚有距離。

實際上，以碳纖維為代表的新型復合材料承載著支撐國民經濟發展和國防建設的重任。碳纖維的發展目標，就是在未來的制造業中大規模取代金屬材料。它是如此重要，因而2020浦江創新論壇專設“碳纖維復合材料產業創新發展高峰論壇”展開討論。

“未來大規模代替金屬材料”

碳纖維于20世紀70年代開始產業化應用，當時因為制造工藝不成熟、用量少導致成本昂貴，主要應用在軍工、航天等領域。近20年，碳纖維開始在全球制造業各行業運用，未來最終的趨勢是大規模代替金屬材料。

碳纖維有著極其優異的性能。用最簡單的話來說，就是“輕質高強”：比重只有鋼材的五分之一左右，但強度可以達到鋼材的5-7倍，同時還有鋼材無法比擬的抗腐蝕等特點。

之所以被人們寄予如此厚望，在于碳纖維有著極其優異的性能。用最簡單的話來說，就是“輕質高強”：比重只有鋼材的五分之一左右，但強度可以達到鋼材的5-7倍，同時還有鋼材無法比擬的抗腐蝕等特點。

國家“973”首席科學家、上海碳纖維復合材料創新研究院首席科學家、東華大學材料科學與工程學院教授余木火在接受《新民周刊》記者采訪時表示：碳纖維材料的優勢在許多領域可以得到充分體現。

例如，減輕自身重量以降低油耗、減少排放、提高續航里程是人們對所有交通工具的要求，小到嬰兒推車、輪椅，大到輪船、飛機，再到人們正在研制中的在真空管道中飛馳的超高速列車，都是碳纖維的用武之地。

碳纖維重量輕，制造出來的零部件運動慣性小，從而速度快、精度高、噪音低、磨損小，這在所有存在機械運動的場合都是明顯的優勢。同時，碳纖維比鋼材更耐腐蝕。要知道，全球有一半的機器壽命減少是因為材料被腐蝕造成的。

金屬材料是當今制造業的支柱，而碳纖維是目前人類發現的最適宜接下來代替金屬的材料，這一點已經形成全球共識。它對國民經濟發展的重要性不言而喻，因而在各國都被納入戰略發展規劃。

2013年10月，我國工業和信息化部發布了《加快推進碳纖維行業發展行動計劃》;近年來，碳纖維復合材料研究多次被列入各級各地的科技重大專項。

把視角拉得更宏大一些，輕質高強的碳纖維也是建造探索宇宙所需航天設備的優質材料。航天器足夠輕，加速它就越容易，人類的觸角要探向更遠的深空，碳纖維將給予強大的助力。

碳纖維產業的健康發展需要以下游的需求帶動上游的研發生產，在余木火看來，上海在這兩端都具備優勢。

東華大學、上海交通大學、上海理工大學等高校都有較強的碳纖維復合材料研究團隊，相關領域的多家國家重點實驗室也落戶在申城。海納百川的文化有吸引創新團隊的基因，加上當前全力打造全球科創中心的定位，上海在碳纖維研發人才領域儲備雄厚。

另一方面，上海云集了碳纖維生產和應用領域的許多大型央企。中石化擁有制造碳纖維的原材料，可以就近生產;寶武鋼鐵集團出于遠期戰略轉型需要，重視碳纖維的研發;而商飛集團、上汽集團、江南造船廠、上海電氣等企業則對使用碳纖維材料有較多需求。

目前， 上海的碳纖維產業布局主要由金山區承擔。金山區內上海石化已在碳纖維領域重點攻關十余年，形成了具有自主知識產權、國際領先的成套技術，并擁有年產2500 噸大絲束碳纖維產能，該產品是生產碳纖維復合材料的重要原材料。新材料產業是金山區重點發展的四大產業集群之一，已集聚一批碳纖維復合材料上下游產業資源。當地正在金山二工區打造“碳谷綠灣”園區，推動該區域從化工產業向以碳纖維復合材料為代表的高端新材料產業轉型升級。

如何把碳纖維做好

余木火指出，當前碳纖維產業發展的核心問題是通過技術的突破和體制的創新，降低產品的成本。

目前，國際上優質的碳纖維產品還處于被日本企業壟斷的局面。中國國產碳纖維的不足并不是在強度的指標上，而是產品的均勻性不夠。

好的碳纖維需要滿足以下條件：一根纖維應該是均勻直徑、均勻物相，每一段纖維都與整根纖維一樣，強度在一定范圍內;在一根纖維上不同地方截取一段，它們的強度應該比較均勻。同一束纖維由很多根纖維組成，這些纖維的強度也需要比較均勻。

“T+數字”是表示碳纖維強度的指標，數字越大強度越高。如果標稱T800強度的碳纖維產品中，有的纖維強度比T1000還高，有的還不如T500的話，這將嚴重影響到產品性能的穩定性，客戶不可能放心采用。

影響碳纖維產品均勻性的因素涵蓋從原材料開始到整個生產流程的工藝水平，這需要投入扎實的基礎科學研究來改進。余木火表示，這正是當下我國碳纖維研發領域的短板所在。“許多生產企業紛紛投入到具體的產品領域，但不愿意沉下心來支持搞基礎研究提升均勻性，只要有產品可以供應市場就可以了。這種短期的逐利行為是不可能讓中國碳纖維的競爭力得到提升的。”

碳纖維產品的設計流程和傳統的鋼材產品有很大的不同：后者是先生產出材料，再將材料制造成零部件。而碳纖維的零部件設計與成型是一體化的，從原材料的步驟就要開始進行工藝的設計;并且，每一款零部件的設計都不一樣。

“我們說碳纖維產品貴，其實現在不是貴在原材料上，而是貴在整個零部件制造。”余木火說，當前在許多碳纖維應用企業里存在一種現象，就是做零部件開發的和懂碳纖維的是兩撥人，他們之間沒有互相融合，結果在產品的研發過程中來來回回不斷調整，大大增加了整體的研發成本。他舉例說，某種應用領域的碳纖維原材料價格在每公斤150元，可是成為碳纖維零件后，價格飆升到每公斤700-2000元，這其中很多成本是因為不合適的設計與不合適的制造方法。

在他看來，我們的研發團隊需要讓懂碳纖維的人才從一開始就融入，并且牢牢咬住某個碳纖維產品的細分領域持之以恒地鉆研數年，就很有希望做成“單打冠軍”“隱形冠軍”。以汽車零部件為例，傳動軸、輪轂，新能源車的電池盒、儲氫罐等，任選一個都可以開展碳纖維產品的研發。在碳纖維產品領域，客戶驗證某家供應商材料的質量所耗成本是巨大的。如果能率先在某個細分產品上做到行業領先水準，那么這個團隊就可能持續拿到這個領域大多數客戶的訂單。“某一個碳纖維零部件都可能造就千億元級別的商業賽道。”

如此的研發體制，在余木火所在的東華大學材料科學與工程學院已有實踐。那里的一個數年來專心致力于碳纖維汽車傳動軸的創業團隊，如今已經得到投資，開始進行產業化。

我們的研發團隊需要讓懂碳纖維的人才從一開始就融入，并且牢牢咬住某個碳纖維產品的細分領域持之以恒地鉆研數年，就很有希望做成“單打冠軍”“隱形冠軍”。

營造碳纖維生態圈

2019年，上海碳纖維復合材料創新研究院成立并在金山第二工業區落地。這是一家由金山區政府、上海石化、上海電氣集團、東華大學等7家單位聯合發起成立的混合所有制的新型研發機構。研究院身兼雙重使命，既是肩負科研攻堅重任的“破冰船”，又是提供公共服務的“航空母艦”，將通過提供產業鏈各環節研發與轉化技術服務，加速孵化科研成果和技術產品。

在該研究院擔任首席科學家的余木火向《新民周刊》記者表示：他更為看重研究院的產業孵化功能。他說，研究院為研發團隊提供產品的公共中試車間，如果車間的一條生產線可以供十個團隊公用的話，就將每個團隊的配置生產線成本至少降低到了原來的十分之一。研究院為科研團隊準備好基礎設備，并向全球征集能高效利用這些設備的團隊。

另外，研究院也可以發揮科技金融的功能，為碳纖維材料領域的發展提供基金平臺支持。產業基金是投入到設備上，而創新基金則鼓勵和吸引人才。另外，研究院還要為創新團隊提供配套的公共服務。

近年來，上海金山區在推動碳纖維產業的發展上動作頻頻。在去年的浦江創新論壇上，金山區發布“碳纖維十五條”專項政策，全力推動碳纖維產業集群在杭州灣北岸的崛起。

這些專項政策，從支持產業集聚集約發展、支持企業做優做大做強、支持產學研結合及科創能力提升、推動碳纖維復合材料應用等四個方面著手，引導扶持碳纖維產業的高質量發展。比如，在現有政策獎補基礎上，金山區研究設立碳纖維復合材料產業發展專項基金，重點支持共性關鍵技術、重大應用技術的突破，以及碳纖維重點產業項目建設。

論壇上，15個碳纖維領域相關項目簽約落戶金山，總投資額約70億元。簽約落地的產業項目中最吸引業界矚目的，是上海石化大絲束碳纖維項目。該項目投產后可年產1.2萬噸48K大絲束碳纖維，產品將應用于海上風電葉片、軌道交通、汽車、能源等領域。所謂“48K大絲束碳纖維”，指的是一束碳纖維包括4.8萬根細絲，每根細絲直徑只有頭發絲的十分之一。這樣的大絲束碳纖維用來生產復合材料的效率比小絲束碳纖維要高得多。

當前，中國每年大絲束碳纖維的用量在3萬多噸，約占全球的三分之一，但大多數依賴進口，技術受制于人的情況突出。上述上海石化的萬噸級國產項目投產后，有望推動這一原材料成本至少下降20%。

2020浦江創新論壇之“碳纖維復合材料產業創新發展高峰論壇”上，“打造長三角碳纖維產業生態圈”的聯合倡議被提出。其中，“碳谷綠灣”示范產業園的建立，是其中關鍵一步。

由華為與東風汽車聯合研制的無人小巴Sharing-VAN亮相2019上海車展。Sharing-VAN車身使用了大量的碳纖維材料。

該產業園位于金山第二工業區的核心位置，規劃面積8.58平方公里，重點發展碳纖維復合材料、功能性膜材料、電子化學品、高分子增材制造材料等高端新材料，以及相關生產性服務業。至2025年，“碳谷綠灣”產業園規模產值預計突破500億元。

2020年1-8月，“碳谷綠灣”產業招商“量質齊升”，已完成簽約項目29個，計劃投資總額約32.31億元，同比增長181.25%;億元以上簽約項目10個，計劃投資總額約26.68億元。這些項目投資領域以高端新材料為主，圍繞重點細分產業領域的強鏈、補鏈效應逐步提升。

金山區科委相關負責人表示：近年來，金山區組織參與編寫上海碳纖維復合材料創新發展白皮書，開展金山區碳纖維復合材料產業發展規劃研究，成立上海碳纖維復合材料創新發展專家委員會，并且充分發揮浦江創新論壇等平臺功能和溢出效應，舉辦碳纖維復合材料產業發展高峰論壇等。

他說：上海碳纖維復合材料創新研究院將堅持政府主導、社會參與、市場化運作原則，加快建設成為具有較強產業影響力和區域輻射力的上海市級研發與轉化功能型平臺。同時，金山區正在努力爭取國家碳纖維復合材料技術創新中心的落地和建設。