從“7511”會議開始，中國碳纖維技術及產業逐漸發展；本世紀初，碳纖維在國家重視、軍和民相關研發及企業單位積極響應下得到了飛速發展，特別是隨著一批民營企業的崛起，碳纖維行業不斷壯大，技術水平突飛猛進，滿足了國內部分需求并具備了一定的國際競爭力。但我國碳纖維在產量與質量上與世界強國仍有差距，碳纖維復合材料應用尚有許多問題待解決。要打破日美壟斷，提升在國際碳纖維領域的話語權，碳纖維業界仍需“擼起袖子加油干”。行業發展面臨哪些挑戰？高端應用瓶頸如何突破？未來發展的著力點在哪？本刊記者近日采訪了中國碳纖維及其復合材料領域的帶頭人——中國工程院院士杜善義。
中國航天科技集團公司高級技術顧問、中國工程院院士 杜善義
從“7511會戰”到1億元專項
1975年11月對于我國碳纖維產業來說，具有里程碑式的意義，時任國防科委副主任的張愛萍上將，主持召開了1975年11月份關于碳纖維的“7511”會議?！疤祭w維是軍民兩用戰略性材料，由于各種原因，碳纖維的研發和應用進展不令人滿意。在本世紀初，導彈在等碳纖維、火箭在等碳纖維、衛星在等碳纖維、飛機在等碳纖維?！倍派屏x回憶道，“‘十五’開始，由于有關科學家的重視和建議，國家開始重視碳纖維。師昌緒院士首先給中央領導寫信，建議對碳纖維產業發展的支持要提升到國家層面。之后，我和黃瑞松院士也給中央有關領導寫信，反映了我國碳纖維的現狀，并建議加快發展，盡快滿足急需。在此情況下，科技部設立了碳纖維的專項?！北M管當時的專項基金很有限，但卻充分調動起了碳纖維研發單位特別是民營企業的積極性，一批企業開始從事碳纖維的研發。
“‘十五’至今的17年時間，碳纖維的發展可謂突飛猛進。”杜善義對近幾年的行業發展情況這樣評價：我國建立起了一批以威海拓展、常州中簡、連云港神鷹、鎮江恒神等民營企業為代表的碳纖維企業。碳纖維技術已被攻克，具備了由低端至高端的碳纖維研發和生產能力；國產碳纖維及其復合材料已在航空航天及其他領域得到應用。國內一些有基礎的碳纖維企業在產量和質量不斷提高的同時，也出現一些新型的碳纖維產業。以威海榮成市與康得集團出資建設的碳谷項目，預計2023年建成后，具備年產6.6萬噸碳纖維的能力?！八詮倪@些方面來看，中國碳纖維正處于一個蓬勃發展的關鍵階段。特別是最近這十幾年的發展有基礎、有底氣、有產能、有產量、有質量。”杜善義表示。
從跟隨走向引領
杜善義坦言，雖然進入新世紀，我國碳纖維產業面貌日新月異，但若想打破日美壟斷，推動碳纖維及復合材料產品和應用創新從跟隨走向引領，需要跨越以下幾道門檻：
一是產不足需，規模化水平有限。碳纖維雖然國內產能超過萬噸，但產量不足，初步看僅有兩三千噸。以2016年為例，國內需求在兩萬噸左右，占世界的1/4左右。供應缺口明顯，規?；接写嵘?。“產量上不去，主要是產業化程度還不高。企業運作要考慮資本的問題，也比較擔心產出后在國內賣不出去，國外市場又難以打開?！倍派屏x分析道。
二是成本高。為什么成本高？杜善義認為，主要是許多碳纖維企業的設備，例如聚合爐、氧化爐、低溫碳化、高溫碳化或者石墨化設備等，目前仍然依賴進口；用量較少，開工率低，必然促使成本高。
三是下游局面未打開。要打破此種局面，關鍵是要解決碳纖維及其復合材料如何應用的問題。要會用、敢用、好用、多用。
“目前來看，差距主要是體現在產業的規模、成本、產品質量穩定性等，從技術上來看，差別并不大?！倍派屏x表示。為促進碳纖維產業的發展，科技部2017年發布的《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》將碳纖維及其復合材料列為重點方向之一。
從“貴族材料”向“平民材料” 恰逢其時
杜善義認為，航空航天、汽車、能源、海洋工程、軌道交通等將成為拉動碳纖維及其復合材料應用增長的重點領域。從全球來看，整個碳纖維和復合材料的增量比其他材料高，逐漸在很多領域取代一些傳統材料?！斑^去我們主要在國防與航空航天應用，先進復合材料被認為是‘貴族材料’，現在來看，能源、交通、海洋工程的應用不斷增長。從‘貴族材料’逐漸向‘平民材料’發展，恰逢其時。隨著碳纖維及其復合材料產業的成熟壯大以及下游產業的升級，平民化的需求將越來越迫切，用量也將迎來爆發式增長?！?/p>
我國碳纖維及其復合材料在航天航空領域的應用占比與全球20%的平均水平相比偏低?！皬膰鴥葋砜矗诤教祛I域應用比較多。航天固體火箭發動機已經實現復合材料化，衛星85%以上是用復合材料，飛船、導彈彈體基本都是復合材料，但由于行業特點，總量并不大，增量有限?！眹鴥群娇疹I域的無人機、直升機、商用飛機、公務機的數量不斷增加，碳纖維復合材料在這些領域的用量會逐漸上升。在C919上，復合材料用量已實現了一定的突破，達到12%左右，應用于平尾、垂尾、后機身等重要部位。殲擊機與直升機等的復合材料用量也在不斷增加，但仍有較大提升空間。飛機上復合材料的用量代表了技術的先進程度和競爭力。因此，未來的C929飛機，對復合材料的應用要提升至50%以上，飛機結構復合材料化是未來的大勢所趨。“為追求裝備本身的先進性和國際化的競爭力，現在航空航天都在重視這件事，碳纖維復合材料的應用比例會隨之迅速攀升?！倍派屏x認為。
在汽車領域，碳纖維復合材料的應用潛力更大。2016年中國汽車銷量為2803萬輛，比上年增長14.1%，2025年預計達到3500萬輛。如果每輛汽車使用1千克碳纖維，每年僅汽車行業就需要3萬多噸碳纖維。當前，國內整車廠和碳纖維生產企業，都十分注重汽車零部件用碳纖維復合材料的研究。杜善義認為，未來電動汽車的全面推廣對碳纖維復合材料的應用將有更大促進作用：“電動汽車更要輕量化，因為電池本身就很重，其他零部件和車身必須要輕，不然續航里程上不去。這方面的需求很迫切?！?/p>
杜善義表示，汽車行業對碳纖維的應用需要一個循序漸進的過程。整車廠關心成本和回收的問題，并且原有生產線都是按照鋁合金等材料部件來設計的，現在改成復合材料后，生產線的變化也需要經歷一段時期，但汽車行業已經將其提上日程。
與此同時，我國還開發了軌道交通材料內飾、司機室夾層結構和大型承力轉向架結構技術；我國復合材料風電葉片年均需求量將超過1.4萬套，目前已完成7MW級風電葉片的設計和生產。這些都為碳纖維復合材料的大面積推廣奠定了基礎。
讓貴族材料平民化，要追求的不僅僅是低成本。促進我國碳纖維產業國際競爭力的提升，低水平重復建設并不是解決之道，擴大平民化的用量才是碳纖維行業中的有志之士應該思索的。
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