随着航天、航空以及新能源产业的蓬勃发展，亟需轻量化材料的替代，而碳纤维成了不二的新选择，也是国家急需发展和战略储备材料之一。但是，高端碳纤维材料一直被美国、日本垄断，我国从20世纪60年代才开始研究，起步晚、基础差，一直饱受碳纤维复合材料短缺之痛。

以美国为主导的《瓦森纳协定》，将一系列视为竞争对手的国家和敏感技术，列入了禁运清单。根据禁运规定，美国将抓捕任何企图购买和贩卖这种产品的个人，哪怕只是用来生产钓鱼竿、自行车和减震设备。如果全采用这种材料打造，那绝对要成为商品最大的卖点，售价也会再添几个零，这种材料就是碳纤维。

这个情况，不断地被改变，就在国内厂商突破T1000技术，同时实现量产不久，单线年产3000吨的综合型生产基地在青海西宁即将投产，中国正在从碳纤维的“第三极”向两极追赶。过去几十年，我国碳纤维都需要进口，最早价格堪比黄金，经过努力，现在碳纤维开始白菜价。

碳纤维到底有何神奇，为什么这样难制造？

碳纤维的密度是钢的四分之一，刚性却是钢的10倍。此外，还具有耐腐蚀、耐高温等特性，其可以经受强酸、强碱的腐蚀，耐腐蚀性超过铂金。

无论是飞机、火箭、新能源汽车，还是风力发电的叶片，用上碳纤维都能显著降低自重，增强刚性，可以说谁掌握了先进的碳纤维复核材料，谁就掌握了制造先进装备的密码。

碳纤维是一种含碳量在 90%以上的无机高分子纤维，其主要是由聚丙烯腈纤维等进行烘烤，去除碳以外的元素而制成，其拥有优异的力学性能和化学稳定性。

之前，日本东丽生产了全球近9成的碳纤维原材料（聚丙烯腈系碳纤维），在全球市场中日本东丽、帝人、三菱化学排在前三名，而实现T1000级和T1100级的只有日本东丽和美国赫克塞尔。

那么究竟碳纤维为何这样难造，我们怎么才能实现突破呢？

爱迪生在1880年发明灯泡的过程中，首次采用绵、麻、竹等天然植物纤维炭化后得到了碳纤维，1909年，将碳纤维在惰性气体中加热到2300℃以上后，获得了最早的石墨纤维，此后发现钨丝更加适合，碳纤维研发停滞，1950年-1970年美国和日本联合丙烯腈基碳纤维霸占了全球技术和市场。

碳纤维的制造其实就是将纤维碳化、石墨化的过程，碳化就是有机纤维在高温下裂解，逸出氢、氧、氮等小分子，最后留下碳元素的这么一个过程。这是一个碳元素占比增加的一个过程，有文献把碳元素占比增加到92%后才称为碳纤维。

石墨化就是碳材料内部碳原子在高温下进行重新排列，慢慢趋向于完美六元网格的一个过程。在碳纤维内部就是原先比较杂乱的碳原子排列次序慢慢趋向于规整排列的乱层石墨结构的过程。

碳纤维制造难在2个方面：

1、碳纤维原丝生产十分困难

虽然碳纤维主要是由碳原子组成，但是我们不能使用碳原子直接合成碳纤维，而是通过含碳的纤维进行碳化来制造，经过大量的研发和生产经验积累，人们发现这三个高分子材料适合用来碳化：纤维素（Rayon）、聚丙烯腈（PAN）、沥青（pitch），其中聚丙烯腈原丝所制得的碳纤维性能最好。

但是聚丙烯腈原丝却很难制造，否则美国赫克塞尔也不会和日本东丽合作，交换技术和材料，正是因为东丽掌握了聚丙烯腈制造技术，才使得它一家独大。

聚丙烯腈是粉末状，需要用溶剂融合，然后经过拉丝、水洗形成原丝，但是如果原丝密度、强度等不均匀，是制造不了碳纤维的。一般来说碳纤维直径只有5-10微米，是头发的十分之一。

这好比拉面师傅必须拉出比头发还细5倍的面条，并且还需要均匀度特别好，这就对师傅的和面、拉面提出了很高的要求，没有十年、八年很难成就。

2、碳纤维制造工艺和加工十分困难

原丝经过加热，添加增强材料，然后在高温下逐渐实现碳化和石墨化，最终产出碳纤维，这个过程对于温度控制，增强材料配比，以及其他拉伸过程都有严格的工艺要求，而这些信息被视为高度商业秘密，只能自己摸索前进。

可以说，碳纤维制造需要化工、机械、电子、生物等相关学科的支持，更重要的是面对外部市场冲击，国内企业投入大，见效慢，很难在短时间内取得突破。

“中国材料之父”师昌绪，带领国产碳纤维突破重围

我国开始研究碳纤维制造是从1960之后开始的，也将重点放在聚丙烯腈基碳纤维上，到20世纪70年代，已经实现了实验室连续工艺化生产。直到1975年，在张爱萍将军的部署下，联合20多家研究所和企业共同攻关，终于解决了有无的问题。

但是，这些产品还有一些瑕疵，例如力学性能不如国外同类产品，成本偏高等。

接下来几年，国家累积投入2600多万元进行碳纤维的研发，一定程度上满足了我国相关领域的需求，但随着与国外产品的差距越来越大，无论在性能上还是价格上逐渐失去优势。

那个时代对“洋技术、洋产品”的无限崇拜，很多实力需求单位把目光瞄准了国外，“造不如买”的思想逐渐成了潮流，甚至有些单位公开承诺，对引进国外技术给予资金奖励。

当我们航天、航空等事业发展起来，正准备使用新材料突飞猛进时，西方开始了贸易限制，技术、产品、设备都被囊括在内。

有些单位虽然引进了设备，但是却交了巨额的学费，例如1984-1985年，吉林和北京2家单位与英国RK公司合作，引进了大丝束预氧化炉和碳化炉，总共花了900万美元。但到了1990年，碳化炉子还开不起来。

北京这家的项目更是历经磨难，委托英国RK公司加工一套10t级别的生产线，可是几次因为“可能用于军事”险遭封杀。原计划3年完成的项目硬是拖了7年，到1993年才勉强“验收”，实际产线还是没能运转。

回顾这些，可以看出来西方已经形成的固定的套路：“你研发出成果，我就降价销售；你不研发，我就高价销售；你大规模发展，我们进行高端封杀，在封杀阶段时不时布下一点坑，让你去跳。”

虽然投入很多，但是我们不得不面对一个事实：碳纤维技术没有根本性的突破，相关产业没有建立起来，一连串的失败案例，让产业蒙上了阴影，严重挫败了行业信心，此后10年几乎很少有人敢去触碰。

看到这种情况，60多岁的“中国材料之父”师昌绪对李克健（1978年后先后在国家科委、国防科工委从事新材料科技管理，较长时间分管碳纤维研制工作。）说："找几个熟悉情况的人，认真研究过去碳纤维搞不上去的原因和今后应该怎样去做。”他说碳纤维上不去，他将死不瞑目。

师老说碳纤维的发展关乎国防工业和国防安全，一定要发展起来。自己年龄大了，别的事情可以不管，但是想抓一抓碳纤维的事情。以如此高龄为国家科技做贡献，更何况是去接触一个自己不熟悉的领域，师老的魄力让我们敬佩。

师老的意见得到了相关部门的高度重视，在“863”新材料领域成立了“聚丙烯腈基碳纤维发展对策研究”软课题组，师老担任组长。2001年1月，师先生给中央写了 “关于加速开发高性能碳纤维的请示报告” ，对以后的经费落实起到了决定性影响。

2001年师老亲自对碳纤维做了许多调查研究。 2001年9月25日科技部高新司在京召开 “PAN高性能碳纤维研制与开发战略研讨会” ，师老全程参加2天会议……

终于，在“十五”期间在科技部设立专题研究计划，师昌绪带领年轻的科技工作者亲临国企和民企调查、咨询和亲自指导，使中国碳纤维经过10 余年时间发展起来，在性能、质量和规模上已基本满足重要领域需求，发展形势喜人。

碳纤维技术重点突破，产业企业蓬勃发展

经过师昌绪的倡导，我国加大了碳纤维的投资力度，成立了国家攻关队伍，遵循师昌绪先生提出的”集中优势力量，打破门户之别，建立竞争机制“的方针，碳纤维技术得到巨大的突破。

2004年，80多岁高龄的师昌绪在得知光威在国内率先生产出碳纤维后，激动地来到威海现场调研，在这国内第一家从事碳纤维研发生产的 民营企业，师昌绪感慨万千，当场题下的“民族之光”四个金光灿灿的大字。

经过近20年的发展，中国碳纤维产能和技术进一步发展，到2019年已经突破了2万吨。

国内诸如光威复材、中复神鹰、中简科技等企业不断占领高端市场。2018年我国碳纤维技术取得突破性进展，成功实现从12K小丝束到48K大丝束的飞跃，初步达到世界先进水平。

2017年，天顺化工规模化生产的T800级碳纤维成本仅为350元/公斤，是国际市场的三分之一。

2021年1月4日，中国石化上海石化“1.2万吨/年 48K大丝束碳纤维”项目正式开工建设，投资35亿元，计划至2024年全部完成。

2021年5月18日，威海光威复合材料股份有限公司向航空工业一飞院等，交付首架份TP500无人运输机后机身及尾翼。

从技术上来说，我国已经攻克了T300，T700，T800，T1000等高强度碳纤维，也攻克了M40J和M55J高模量航天碳纤维，算上其他攻克难关的，中国企业有很很多，都在不同层面实现了突破。

值得一提的是：2017年全球最大碳纤维复合材料制造商日本东丽(Toray)被爆出了持续8年的“造假丑闻”，涉嫌于2008年至2016年7月期间产品质量数据造假。而东丽公司相关负责人也证实，涉嫌造假的部分产品也流入了中国市场。

2021年东丽的统计显示，碳纤维的全球需求2020年为8.1万吨，预计2021年为9.3万吨，正准备涨价2成的时候，国内的年产1.1万吨产线已经准备投产运行。不知道，东丽现在慌不慌？

2021年9月，青海西宁，中国首个碳纤维万吨生产基地即将投产，据悉该项目总投资达50亿元，总产能可达2.5万吨，全部投产后能满足国内至少三分之一的需求。未来品主要用于大飞机机身、航空航天、风力发电、光伏新能源等领域的高性能碳纤维。

总结：

每一个产品和技术都经历过从无到有，从落后到先进的过程，这往往需要我们几代人的努力，只有扎实做好人才培养，才有可能出现原始创新。

目前，我国的碳纤维极其复合材料已经进入了新的阶段，一些企业已经可以提供产能相当的高端产品，从性能、质量和规模上虽与某些发达国家有差距，但是差距越来越小，有望快速超越。

另外，碳纤维复合材料逐渐从航天、航空领域转向日常民用领域，随着市场需求的不断扩大，其市场和生产规模将不断扩大，我国也成功实现了将碳纤维从“黄金价”到“白菜价”的转变。

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