应用前景广阔的新材料（开卷知新）

  习指出：“新材料产业是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域，我们要奋起直追、迎头赶上。”新材料的开发应用，能够推动技术进步和产业升级，甚至推动人类社会迈上新台阶，比如半导体材料就带我们走进了信息社会。

  放眼世界，材料学研究不断取得新突破，先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进石化化工材料等一批新材料纷纷涌现，为制造业和经济社会持续健康发展注入强劲动能。碳纤维就是新材料中应用十分普遍的一种。

  一副由碳纤维制造的自行车车架，重量仅600克左右，相当于3个苹果；一根1米长的T1000级碳纤维，手指粗的一束，重量只有0.5克，可以拉动两架民航客机；碳纤维制品可在3000摄氏度高温下安然无恙，能在酸、碱、油、盐等各种腐蚀性环境里使用……碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、重量轻等诸多优异性能，在现代制造业中应用前景广阔，被誉为“工业黑色黄金”。

  碳纤维是一种碳含量在95%以上的无机纤维，由不同原料经聚合、纺丝、氧化、高温碳化而成。根据原料种类，碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维3种。其中，以石油化学工业产品丙烯腈为主要的组成原材料的聚丙烯腈基碳纤维，占世界碳纤维总产量的90%以上，是高性能碳纤维的最主要来源。

  碳纤维具有细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁等优异性能。碳纤维直径通常为5—7微米，只有头发丝1/10左右粗细，密度较小，一般为钢的1/5、钛的2/5、铝的3/5。虽然“身轻体薄”，碳纤维强度却非常高，一般为钢的35倍。实际应用中，通常会将少数的碳纤维“细丝”像编绳子一样缠绕起来，一束标准的12K（即1.2万根）碳纤维不到一支铅笔粗，却能承受130千克左右的重量。与此同时，碳纤维能在3000摄氏度高温下安然无恙，在零下100摄氏度到100摄氏度之间，其尺寸基本保持不变，并且能在高腐蚀性环境里使用，可谓“真金不怕火炼”。

  要想获得这样的特性并不是特别容易。碳纤维制备流程长、工艺复杂，难度堪比芯片和微纳光刻。碳纤维制备流程包括上百个细分工序，涉及高分子化学、高分子物理、材料科学、高分子加工与纺丝工程、工业自动化控制、高温工程等，其工艺控制点上千，工艺参数超过万项，每一项参数的变化都会影响碳纤维的最终性能。当前世界最先进的芯片光刻技术达到几纳米尺度，与之相似，高性能碳纤维也要求碳纤维内部缺陷控制在10纳米以内。碳纤维还要经过从普通室温到1700摄氏度甚至2500摄氏度的高温碳化，且温度精度要控制在5—10摄氏度，难度可见一斑。可以说，每一束碳纤维材料都是千锤百炼得来的。因为技术方面的要求高、制造难度大，碳纤维价格相对较昂贵，宇航级碳纤维价格在每千克数千元到万元之间，是钢和铝合金价格的几十倍，但碳纤维凭借其优异性能，依然成为国民经济与国防建设不可或缺的关键材料。

  碳纤维兼具碳材料的高强度和纤维纺织材料的柔软可加工性。一束手指粗的高强度碳纤维可以拉动飞机，碳纤维还可以编织成纤维布，根据自身的需求编织裁剪成特定形状，经树脂固化变成比高强钢强度更高的材料。因为拥有多种优异特性，碳纤维应用广泛，成为航空航天、电力、交通运输等高端装备、重大基础工程、新能源等领域重要支撑性材料。

  在航空航天领域，碳纤维的用量常被作为衡量航空航天装备水平的重要标志。碳纤维复合材料能够适用于飞机、卫星、火箭等的制造，还能帮助产品减小噪声、节约燃料。例如，民航客机使用碳纤维复合材料叶片，重量比传统钛合金减少500多公斤，机身整体重量减少1吨，飞机油耗大幅度降低，航程实现有效提升。将碳纤维加入推进剂和发射药中，还能改善推进剂的力学性能，提高推进剂燃速，改善发射药的燃烧性能。

  在与民生息息相关的汽车和风电领域，碳纤维成为提升性能的利器。碳纤维复合材料的密度低、重量轻、刚度大、吸力大，碰撞时材料吸能能力高出钢结构6到7倍。将碳纤维复合材料用于汽车制造，能大幅度的提高汽车的加速性能、制动性能、减震性能、安全性能。比如高端精密的一级方程式赛车，各车型无一例外地应用碳纤维增强聚合物基复合材料制造车架、车身、底盘等，使车身减轻质量40%到60%，相当于钢结构质量的1/3到1/6，还保持了足够的强度和刚度。基于碳纤维材料，有的汽车生产企业已经制造出车身重量不到300千克的超级跑车。

  在风电设备方面，叶片主梁是碳纤维复合材料的用武之地。这些主梁长度往往超过70米甚至达到120米，使用大丝束碳纤维进行制造，可以明显降低叶片重量，增加叶片刚度，产品性价比大幅度的提高，整个机组的发电效率、稳定性也随之提高。

  在体育运动装备制造中，碳纤维也能一展身手。目前，将碳纤维用于高端体育装备制造，能够在一定程度上帮助运动员突破极限，创造新纪录。如在网球拍、自行车、高尔夫球杆、滑雪板、皮划艇制造中，充分的发挥碳纤维材料重量轻的优势，能减轻运动员“负担”。与铝合金球拍相比，运动员使用碳纤维制作的网球拍，可以将击打的最高球速提高20%，达到250公里/小时。未来，随技术提升和成本降低，将会有更多运动装备用上碳纤维。

  进入新世纪以来，我国组织优势科技力量，开展碳纤维科学技术攻关。经过20余年不懈努力，碳纤维工程化、产业化、国产化取得突破性进展。今年8月，国产T1000级聚丙烯腈基碳纤维千吨级工业生产技术，通过专家委员会技术鉴定。紧接着，全国首个万吨级高性能碳纤维生产基地在西宁建成。中国碳纤维产业从无到有、从有到大、从大到优，技术水平和产业化发展势头良好，研究应用进入快速地发展新阶段。

  在这一产学研高度融合的生产领域，向市场提供种类丰富、质量稳定、产量充足、价格合理的系列新产品，是碳纤维技术迭代升级的关键。按照国际通行标准，碳纤维产品会根据强度、模量划分为不相同的型号，如高强、高模、高强中模、高强高模等系列，其中高强系列又按拉伸强度分为T300、T800、T1000等型号。应用领域不相同的碳纤维产品，好比一个个科研题目，需要逐个攻破。即便最低等级的T300碳纤维，强度也是一般汽车防撞梁的数倍，研发难度可想而知。在分子设计、聚合工程、凝固成型、装备精细化控制等软硬件技术合力支持下，我国在“十五”至“十三五”期间，先后突破T300、T700、T800级别聚丙烯腈基碳纤维关键技术，实现规模化生产。2022年，我国碳纤维产量已占全球1/3。

  产量上去了，超高性能碳纤维生产也亟待我们“登顶”，实现规模化、稳定化生产。T1000级碳纤维是目前全球强度最高的碳纤维系列之一。国内碳纤维生产企业与深圳大学协同攻关，攻克了这项技术。经国内权威机构检测，在年产1700吨生产线上制备这类碳纤维产品，性能达到国际同级产品水平，产品质量合格率高于95%。随着生产稳步推进，T1000级碳纤维材料将助力满足我国高端工业领域日渐增长的迫切需求。

  在政策和市场双重推动下，我国碳纤维技术不断的提高，碳纤维产业链逐渐完善。从奋起直追、迎头赶上到再接再厉、勇攀高峰，在实现高水平科技自立自强的路上，碳纤维技术将贡献更加坚实有力的“中国强度”。

  《碳纤维复合材料轻量化技术》：《碳纤维复合材料轻量化技术》编委会著；科学出版社出版。