轻量材料之王

编者按：科技如同一个神奇的魔法师，在各个领域施展着它的魔法，改变了我们的生活。本栏目介绍《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中科技领域取得的成果，包括但不限于工业制造、能源能化、生物医学等方面，向青少年读者展示我国近些年来取得的科技成就，激发青少年的科学热情。

碳纤维，是指含碳量90%以上的高强度、高模量纤维，被誉为“轻量化材料之王”。

1879年，爱迪生在为灯泡选择最合适的灯芯时，制备出了碳纤维，然而囿于当时的科技水平，碳纤维无法大规模生产。直到20世纪60年代，日本发明家近藤昭男以聚丙烯腈为原料制取了碳纤维，灯芯才得到大规模发展。

2021年，我国发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，其中明确加强碳纤维等高性能复合材料的研发应用，深入实施制造强国的战略。

为何碳纤维成了国家制造业的重点研究方向呢？因为它可能改变世界。

在生活中，碳纤维并不罕见。钓鱼爱好者手中的钓鱼竿、运动员手中的高尔夫球杆、农业技术员手中的无人机，都用到了碳纤维材料，准确地说是碳纤维复合材料，即一种以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等为基体材料的高性能复合材料。

碳纤维就像丝线，人们把丝线编织成布，把布匹放在树脂或者陶瓷等材料中固定，组成各种形状，有了各种物理特性。它的密度通常为1.5g/cm3，远小于同体积的玻璃纤维复合材料、结构钢、铝合金，它的拉伸强度约为1 548Mpa，远高于同体积的玻璃纤维复合材料、结构钢、铝合金。故而，碳纤维复合材料具有优越的物理性能，耐高温、耐腐蚀，且质量轻、强度高。

碳纤维有多种分类方式，通常按照原丝类型和丝束规格分类。

按照原丝类型分，碳纤维可分为由聚丙烯腈制成的聚丙烯腈基碳纤维，占市场的90%；由沥青制成的沥青基纤维，占市场的8%；由粘胶制成的粘胶基纤维，占市场的1%；由酚醛制成的酚醛基纤维，占市场的1%。

按照丝束规格分，碳纤维可分为大丝束和小丝束。每个碳纤维的生产商都有不同的分类标准，但一般认为24K以下的叫作小丝束，48K以上的叫作大丝束。丝束代表该款碳纤维材料是由多少根纤维制成的，1K代表一束碳纤维中有1 000根丝。

碳纤维复合材料的应用场景广泛，最大的需求来源于新能源和航空航天。我国自从加入《巴黎协定》后，一直致力于减少碳排放，致力于绿色发电，其中包括了风电。

风电所使用的风机叶片巨大，若是采用玻璃纤维，不仅发电效率不高，而且使用寿命较短。于是大丝束的碳纤维复合材料制成的风机叶片就成为首选。根据2023年的数据，中国风电装机容量为441 895 Mpa，位居世界第一，比第二名美国到第五名西班牙的装机容量总和还多，这使得我国对碳纤维复合材料的需求非常旺盛。

在航空航天领域，我国成功建成中国空间站，拥有国产大飞机，组成这些成就的基石之一就是小丝束的碳纤维复合材料。根据测算，用碳纤维制造飞机的结构件，能使飞机的重量减轻30%，目前世界上主流的商用飞机，比如波音787、空客A350，它们机身采用的碳纤维复合材料用量均超过了50%。

可见，碳纤维对我国多领域的发展非常重要。然而，碳纤维的制备难度非常大，它的生产工艺流程长，技术壁垒高。

以聚丙烯腈基碳纤维为例，以丙烯腈为原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈，再通过纺丝得到聚丙烯腈原丝，对原丝进行预氧化、碳化、表面处理才能得到碳纤维材料。整个过程持续走丝，需要精确控制参数，每个环节都会影响成品的质量和性能。原丝制备更是碳纤维生产的核心环节，最终决定着碳纤维的产品质量、产量和生产成本。

在2015年之前，碳纤维的核心生产技术掌握在日本、美国等国家手中，日本东丽集团就占了碳纤维产能的20%。随着我国制造业发展，我国企业开始对标日本、美国等厂家，进行分批研发。目前，我国已经分别建成了大、小丝束碳纤维生产线，突破了千吨级碳纤维原丝干喷湿纺工业化制造技术，打破了发达国家对宇航级碳纤维的技术封锁，力争在“十四五”期间，建成高性能的碳纤维复合材料全产业链。