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中国碳纤维再次实现历史性突破材料之王逆袭史
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来源:米乐体育app官方下载ios版    发布时间:2024-07-13 01:32:28

  8月15日,由上海石化主导建设的国内首套大丝束碳纤维生产线,实现了中期交工。

  值得注意的是,这条生产线上的设备全可都是纯国产,它产出碳纤维的含碳量超过95%,比常规的90%碳含量,还要高出5%,属于高性能碳纤维。

  要知道碳纤维可是一种高性能的材料,它能应用航天、军工、赛车等高端领域,比如美国的隐形B2飞机的机身上就用了50%的碳纤维复合材料,除此之外还有波音和空客等飞机上也有类似的材料。

  但就是这么重要的材料,我们以前却基本依赖进口,在2014年以前,国内碳纤维市场需求将近2万吨,可其中国产碳纤维的产量占比,却几乎能忽略不计。

  尤其是大丝束碳纤维更加紧缺,在2019年的时候,国内大丝束碳纤维需求量有1.4万吨,但是这里面国产却仅占0.1万吨,占比为0.071%。

  而这次上海石化投建的纯国产大丝束碳纤维生产线万吨,不仅填补了国内空白,而且还打破美日几十年的封锁。

  但是更重要的是,此次生产设备都是纯国产,这也代表着,中国碳纤维在未来将迎来爆发式的增长,而它的下游高端制造业也会迎来一次大的突破,甚至有网友调侃说碳纤维将被中国打成白菜价了。

  那么问题来了,中国的碳纤维到底是怎么样发展起来的,为何被封锁数十年,中国却能突破这个限制呢?今天就来说说材料之王碳纤维的故事

  碳纤维之所以被称为:材料之王,是因为它的性能很优秀,它是由碳原子在晶体中排列组成,这种结构很稳定,所以由它组成的复合物,不仅仅具备超越钢铁的硬度和强度,而且还很轻,同等体积下,它的密度虽然只有钢的1/4,铝合金的1/2,但是强度却是钢的7-9倍,铝合金的3倍。

  除此之外,碳纤维很细,单根原丝的直径只有头发丝1/10左右,由它们组成的纤维束很稳定,能抗住3000°的超高温,也能在零下180°中具有弹性,还可以耐油、耐酸、耐腐蚀等等优质性能。

  所以它的应用场景范围特别广,除了上面说的战机,还可以用在卫星的结构体、发动机、导弹弹头和箭体等关键部位。

  可以说,假如没有碳纤维,我国的航空航天、军工发展,将会受到严重的影响,但就是这么重要的材料,在我国就跟芯片、核武的命运一样,长期被国外垄断,而这就得说到碳纤维的历史了。

  碳纤维最早是由英国人在19世纪发明的,后来被美国的大发明家爱迪生用在灯丝上而出名, 不过那时候碳纤维制备困难,成品强度还比较差,并未受到太多关注。

  当时美苏争霸,老美继续发展导弹和卫星等技术,所以要一款稳定而且能在高速下耐高温的材料,所以碳纤维首次被重视起来。

  他们开始研制高性能的碳纤维材料,改进了碳纤维的制备工艺,生产出的碳纤维能抵抗住弯曲,拉伸形变等外力干扰,由于性能优越,被老美大量用在他们的导弹和飞机上。

  其他国家也是在这样一个时间段,开始注意到碳纤维在国防中的作用,然后开始不断挖掘碳纤维的性能和制备方法。

  1960年,日本发明了以聚丙烯腈为原料,制备碳纤维的工艺方法,也叫PAN基碳纤维,这种工艺极大降低了碳纤维的制备成本,一出世就受到各个国家的欢迎。

  然后美国欧洲等国家,也参与到了工艺改进和应用,慢慢的变多的高性能碳纤维被制备了出来,并且装备到尖端产品上,发达国家也在这样的一个过程中垄断行业,并且非常默契的对中国实行了禁运。

  相比之下,中国在碳纤维起步其实并不算晚,可以说和日本几乎同步开始研究,但是受到

  受制于巴统协议,中国无法像日德等国家一样,获得老美的技术上的支持,只能自己靠自己研发,由于没设备、也没有技术,进展非常缓慢。

  70年代,碳纤维的作用已经慢慢的变大,老美已经将它们应用在了导弹和飞机上,使得它们的军事武器上升了一个台阶,而我们自己的战斗机却因为碳纤维迟迟无法投产,加上日本等发达国家也在研发高性能的民用碳纤维。

  1970年代后,我国国防部先后两次组织研究机构,研发碳纤维,先后组织了20多家研究单位和公司参与进来,这些单位被分成5个攻关小组,分别负责原丝、碳化、结构、隔热和测验技术研究。

  这次技术攻关并没取得预期的成果,产出的碳纤维材料稳定性和性能都不如意,只能用在某些不重要的构件上。

  1978年,碳纤维项目交由科技部前身,国家科学技术委员会管理,当时碳纤维是科委的重点项目,投入了数千万和很大的人力、结果成绩都不算理想,不仅性能没有正真获得实质性的蜕变,年产量也只有1.5~2.0吨左右。

  碳纤维听着好像不如特殊金属高大上,它是由很多根比头发还细的碳纤维集成一束,才能发挥出优异的性能,所以制备碳纤维的时候,就需要一些特殊的步骤,看下下面这张图,碳纤维制备流程超过十多道,工艺技术要求比较严格。

  比如说负责预氧化和碳化步骤的预氧化炉和高低温碳化炉,可我国本土的设备达不到技术方面的要求,产出的碳纤维达不到我们的要求,所以即使我们大家都知道原理,也攻克了技术问题,但是就是生产不出来高性能的碳纤维。

  所以在国防部和科委两次尝试后,我们开始重新考虑引进先进生产线年,上海碳素厂希望引进老美的碳化设备,来提升生产能力,但美国国防部却以碳纤维是国防科工业中的重要材料,否决了这一要求。

  并不是RK公司故意耍诈,而是他们自己的技术也是半吊子,已经落后到卖技术为生了。

  当时美日在碳纤维上的发展很快,英国却因为应用市场缺失,逐渐被甩在了身后,然后依靠出卖技术为生,他们将碳纤维的有关技术和设备对外出售,俄罗斯、印度等国都是从这样一个时间段进入碳纤维产业的,其中也包括我们。

  当时美日的碳纤维单线产能达到千吨/年,甚至研发出先进的T300碳纤维,波音的B757、B767就是用这个技术。

  2000年后,师昌绪多次向上级和国家领导人撰写报告,强调发展高性能碳纤维的重要性,而这一份报告,对后来我国碳纤维的发展起到至关重要的作用。次年10月,科技部决定设立碳纤维专项,11月成立专家小组。

  2003年1月17日,国家批准了碳纤维领域两个重点项目,2005年,碳纤维项目被批准为国家重大基础研究项目,碳纤维又再一次被我国提上了重要攻关项目的日程。

  于是在国家的号召下,社会上先后涌现了几十家碳纤维企业,像现在比较著名的光威复材、恒神股份、中复神鹰大都是在那一时期里成立或者改向碳纤维领域的。

  堪称是中国碳纤维的奇迹。这原本是一家钓鱼竿的企业,生产高性能的鱼竿用的就是碳纤维,所以他们在采购碳纤维的时候,经常需要和日本碳纤维企业打交道。

  当时日本企业已经将碳纤维列入五大机密技术之一,对我国进行“三封锁” 也就是产品封锁、技术封锁、设备封锁。

  当时,我们的企业一定做出承诺,不能将碳纤维用在其他用途,而且还要我国商务部的盖章才能拿到许可证,买到货了,他们还要时不时盯着你,看你有没有挪用。

  。啥意思?就是想涨价马上就涨价,随便发个通知给你,你就必须接受,而且给你供货的时候,还得看心情,挤牙膏式的随意给一点点,好像在赏赐给我们企业一样,很多渔具企业非常恼火,但是毫无办法。

  光威复材的老板陈光威却坐不住了,他提出要向上游拓展业务,随后花了巨资 ,引进当时国内首条,宽幅碳纤维预浸料的生产线,并且在次年就生产出碳纤维预浸料,然后他们又开始了碳纤维的研制。

  当时有领导去参观光威的碳纤维预浸料时,竟然发现光威集团已经实现了碳纤维国产化,感到非常的惊讶,然后对他们说“给国家干点事吧,不要总围着鱼竿转了”,并且将国家的困难告诉了他们。

  听完,陈光威当即决定进军军工产业,于是他压上了光威十几年的业务积累、厂房、设备和自己的房产,不断投入巨资研发碳纤维的生产技术。

  终于在2005年,光威T300级碳纤维生产线计划的验收,所以当时就有了,一家鱼竿企业,撑起了中国国防装备的说法。

  国际上的T300级碳纤维价格一下子就“”了,在2005年之前,它的价格一度被炒到8000元/公斤,而当中国实现了批量生产后,这一价格在2007年降到了200元/公斤不到,甚至连一些设备也解除了封锁。

  但是此时,中国碳纤维产业已经建设起来了,根本不怕他们对我们禁运,反而开始不断地突破。

  2012年,在国家公布的“十二五”规划中,将碳纤维的产能计划为1.2万吨/年,2013年,这一数字上升到了1.8万吨。到了2017年,中国碳纤维产能达到了2.6万吨,成为仅次于美国和日本两大老牌碳纤维强国之后的第三名。

  2019年,中复神鹰联合东华大学与江苏新鹰游机械的T1000级碳纤维工程建设项目通过技术鉴定。

  大家可能不太明白这T700/T800/T1000是啥意思,其实T就是指碳纤维,后面的数字越高,就代表碳纤维的强度也越好,可以说就是碳纤维产品力的代表。

  并没有受到太大的影响。而在工业领域,比如制作储氢罐的高性能碳纤维的购买渠道,长期依赖美日的碳纤维企业,东丽的断供虽然造成了一定的影响,但这也同时刺激着我们的中国企业,进行更多的技术和产能上的突破。

  可以说,我们已完全彻底完掌握了,大丝束的设备制造以及生产能力。有些人可能不懂,这大丝束碳纤维突破背后有什么意义?那我们就必须要了解下什么是大丝束碳纤维。

  碳纤维按照丝束多少可大致分为大、小丝束,丝束超过4万8千根的即为大丝束,未超过这个数值的称为小丝束。

  其实除了这次上海石化的大丝束碳纤维生产线年,吉林化纤也已经建成大丝束碳纤维生产线,但是其设备依然依赖进口。而这一次国产设备投产,也代表着中国碳纤维突破已经加快了脚步。

  这个并不是在胡说,因为中国是碳纤维全球最大的市场,而且还都是利润较高的高端领域。

  根据统计,到2023年,风电叶片的碳纤维需求量将达到6万吨,2025年将增加到9.3万吨,而在全球增长的风电需求里,中国占了将近一半,也就是说,中国的碳纤维企业只要产出,就不愁卖。

  在原材料上,我们仍就处于落后位置,在碳纤维上,我们与国外还有一定的技术差距,但是在未来,我们追赶上的速度绝不会慢。