“新材料之王”大絲束碳纖維國產替代加速

□ 本刊記者 王一冰 胡擁軍

大絲束碳纖維放絲架區操作自動化。胡擁軍 攝

上海石化首批48k大絲束碳纖維成品。李英豪 攝

·10月10日，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產線在中國石化上海石化碳纖維產業基地投料開車，并產出合格產品，產品性能媲美國外同級別產品質量，達到國際先進水平，標志著中國石化大絲束碳纖維從關鍵技術突破、工業試生產、產業化成功走向規模化和關鍵裝備國產化，一舉破除我國碳纖維生產和裝備受制于人的被動局面，真正實現自主可控。

現代科技的每次巨大飛躍都離不開新材料的出現。在新型材料中，碳纖維（Carbon Fiber，簡稱CF）是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，不僅具有碳材料的固有本征特性，而且兼備紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維，被稱為“新材料之王”“黑黃金”。

“新材料之王”應用場景廣泛，不論是航空航天、能源裝備，還是交通運輸、體育休閑等領域，都能看到它們撐起一方天地。無人機、汽車部件、自行車、旅行箱、護膝、船槳、氧氣瓶、釣魚竿……生活中也處處有碳纖維的身影。

上海石化研發生產的大絲束碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。在碳纖維行業內通常將每束碳纖維根數大于4.8萬根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維，其力學性能優異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的7至9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。

中國石化碳纖維專家、上海石化副總經理黃翔宇介紹，為了讓大絲束碳纖維真正擁有“中國技術”，上海石化從裝備到工藝，為大絲束量身定制了專用生產線，如根據大絲束的要求自行設計氧化爐、碳化爐，他們不僅成功掌握了控制溫度場的關鍵核心技術，而且配置了節能型設計，可實現能源綜合利用，這在國內外裝備也是絕無僅有。

碳纖維：小絲束與大絲束

碳纖維從無到有，經歷了100多年的發展，在國防軍工和民用方面都是重要材料，目前全球碳纖維產能已經突破10萬噸量級。小到旅行箱、自行車、網球拍等生活用品，大到風電葉片、高鐵動車頭罩、飛機部件、衛星導彈等高精尖設備，碳纖維應用場景廣泛。作為一種高價值新材料，碳纖維制造難度高、工藝復雜，一直都是國外進行技術封鎖和產品壟斷的戰略物資，高端碳纖維復合材料技術長期掌握在發達國家手中，美國、日本和歐洲國家在碳纖維領域技術產業領先，日本東麗公司長期處于行業龍頭地位，新興國家在發展碳纖維上舉步維艱。20世紀70年代，國外已實現高性能碳纖維的批量生產。

我國碳纖維技術研發始于1962年，但由于基礎研究落后，碳纖維的產業發展一直在低水平徘徊。2000年是我國碳纖維產業發展的一個關鍵節點。2000年以后，全球碳纖維供不應求，進口碳纖維變得非常困難，嚴重影響國防安全。2001年，師昌緒院士提出要大力發展碳纖維產業，得到政府高度重視，并開始大力支持碳纖維領域的自主創新。2012年，加快發展碳纖維并提高規模化制備水平被列入“十二五”發展規劃；2016年，“十三五”提出加強新材料產業上下游協作配套，在碳纖維復合材料領域開展協同應用試點示范；2021年，加強碳纖維及其復合材料的研發應用被列入“十四五”規劃重點發展領域；今年4月，工信部、國家發改委提出攻克48K以上大絲束、高強高模高延伸、T1100級、M65J級碳纖維制備技術。

從政策導向來看，高性能、規模化是我國碳纖維產業的發展趨勢。2010年我國碳纖維產量開始增長，2021年我國碳纖維產量達2.9萬噸。突破始于宇航級碳纖維技術。歷經多年艱苦攻關，我國開始突破碳纖維制備的關鍵技術，2005年起相繼實現了系列碳纖維（包括T300級、T700級和T800級）的國產化，解決了宇航級碳纖維的自主保障問題，我國也成為繼日本、美國之后第三個掌握宇航級碳纖維技術的國家。

宇航級碳纖維又稱小絲束碳纖維。碳纖維的分類標準有很多，按絲束規格的不同，可以將碳纖維分為小絲束和大絲束。早期小絲束碳纖維以1K、3K、6K為主，逐漸發展出12K和24K，1K代表一束碳纖維中有1000根絲。小絲束生產工藝難度大，價格和成本較高，性能優異，主要應用于軍工、航空航天領域；大絲束碳纖維通常指48K以上的碳纖維，包括48K、60K、80K等，其生產成本低，性價比高，主要應用于工業領域。

通常來講，小絲束碳纖維對可靠性、工藝性、穩定性要求嚴苛，較高的成本也影響了下游企業應用碳纖維的積極性。大絲束相較于小絲束最大的優勢就是成本低，隨著生產技術的進步、人們對碳纖維材料結構性能的熟悉，大絲束碳纖維也越來越多用于對可靠性要求嚴苛的領域。據相關數據統計，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬噸，其中大絲束碳纖維需求量約為5.1萬噸，占比約43.5%。我國每年進口3萬噸左右碳纖維，其中一半以上是大絲束碳纖維。加快實現碳纖維及其復合材料自主可控、開發高性價比的碳纖維，對我國來說戰略意義重大。

中國石化：攻關與突破

中國石化在碳纖維領域持續攻關十余載，在大絲束碳纖維國產化道路上取得突破性成果。今年10月10日，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產線在上海石化碳纖維產業基地投料開車，產出合格產品，產品性能優異，質量達到國際先進水平。同時，實現了硫氰酸鈉（NaSCN）溶劑路線原絲、碳纖維制備理論創新，形成了具有中國石化自主知識產權的48K大絲束碳纖維產業化成套技術。這標志著中國石化大絲束碳纖維技術成功實現規模化生產和關鍵裝備國產化，破除了我國碳纖維生產和裝備受制于人的被動局面，真正實現自主可控。

碳纖維按原絲種類可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類，其中PAN基碳纖維成品品質優異、力學性能優良，且相比于另外兩種碳纖維工藝難度更低，是最主要的碳纖維品種，目前已成為市場主流，產量占比超90%。2007年，中國石化決策部署PAN基碳纖維的研發和產業化攻關工作，并將項目落戶上海石化。十余年間，中國石化歷經了從12K小絲束到48K大絲束的跨越。

“大兵團”作戰，以企業為主體進行“產、學、研、用”相結合推進協同創新。2007年，上海石化領命開始碳纖維攻關并成立攻關團隊，集中優勢資源攻克關鍵核心技術，他們組織上海石油化工研究院、上海工程公司、國內知名設備制造企業等，在上海市委和市政府的大力支持下，聯合北京化工大學、復旦大學等10余家科研院所、高校、企業等一起協同攻關，陸續取得階段性成果：2008年11月，碳纖維中試裝置建成；2009年3月，成功研制出12K小絲束碳纖維原絲；試驗成功后，上海石化采用自行開發的國內獨有的NaSCN濕法工藝，以及具有自主知識產權的成套技術，著手進行3000噸/年原絲、1500噸/年碳纖維項目建設，2012年9月，項目一階段工程建成投產，形成了3000噸/年聚合物、1500噸/年原絲、500噸/年12K碳纖維的工業化生產能力；攻關步履不停，緊接著上海石化科研人員開始在500噸/年12K碳纖維裝置上研發48K大絲束碳纖維，2018年1月，開發了大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化碳化工藝技術，形成千噸級PAN基48K大絲束碳纖維成套技術工藝包的技術基礎；2018年3月，上海石化成功試制出國內真正意義上的48K大絲束碳纖維，并貫通工藝全流程。

“十年磨一劍。”針對大絲束特點自行設計制造國產化生產線，中國石化樹立了我國碳纖維建設史上的里程碑，成為國內第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術的企業。截至目前，中國石化已累計擁有碳纖維相關專利251項、碳纖維復合材料專利46項，專利排名國內第一、世界第三。

前景展望：通用級、大絲束、小絲束、高性能產品全面突破

未來國內碳纖維需求將繼續保持高速增長，新能源等領域驅動碳纖維需求爆發。比如在海上風電項目中，風機大葉片長達100多米，目前葉片普遍采用玻璃纖維制成，但是玻璃纖維自身的重量大，強度也沒有碳纖維好，而大絲束碳纖維作為優質的輕量化材料，能為葉片增加強度的同時可成功“瘦身”15%～20%，提升發電能力；新能源汽車通過使用輕量化的碳纖維零部件，能明顯增加新能源汽車的續航里程。據中國復合材料工業協會有關人士介紹，到2030年以后，僅大絲束碳纖維就有望達到500億量級，它帶動的整個復合材料市場規模應該是千億級的。

我國首套大絲束碳纖維國產化生產線。胡擁軍 攝

根據賽奧碳纖維《2016-2021全球碳纖維復合材料市場報告》，從全球的維度來看，碳纖維需求量從2016年的7.65萬噸增至2021年的11.8萬噸，CAGR（復合年均增長率）為9.02%，2021年同比增速從2020年的3.05%提升至10.42%，2025年預計全球需求量達20萬噸，未來4年CAGR為14.10%。從國內的維度來看，碳纖維需求量從2016年的1.96萬噸增至2021年的6.24萬噸，CAGR為26.06%，2021年的同比增速高達27.69%，2025年預計國內需求量為15.93萬噸，未來4年CAGR為26.37%。從應用領域來看，2021年全球和國內碳纖維的主要應用領域均是風電葉片。2021年全球碳纖維需求量占比前三的領域分別是風電葉片（27.97%）、體育休閑（15.68%）和航空航天（13.98%）；而國內占比前三的領域分別是風電葉片（36.07%）、體育休閑（28.05%） 和碳/碳復材（11.22%）。風電葉片、體育休閑、航空航天、碳/碳復材等領域的需求占據了碳纖維市場需求的主要部分。

復合材料專家、中國工程院院士李仲平在《如何認識神奇的碳纖維》一文中表示，“在第四次工業革命前夕，在即將進入智能化、智慧化社會這個過程中，碳纖維和碳纖維復合材料將發揮越來越重要的作用”。

中國石化既是碳纖維的研發和生產企業，也是碳纖維復合材料的研發和應用企業，在未來碳纖維產業發展中將繼續加大科研力度，加快推進產業布局，全面推廣應用場景。到“十四五”末期，中國石化將在多種工藝流程實現通用級、大絲束、小絲束、高性能等產品方面的全面突破，為引領和推動中國碳纖維產業發展作出貢獻。