技术研发全国领先 产业发展亟待突破——从2012年山东省产学研展洽会看我省碳纤维行业现状

何为碳纤维

    据山东大学材料学院朱波教授介绍，碳纤维(carbon fibre)是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是含碳量高于90％的无机高分子纤维(含碳量高于99％，一般称之为石墨纤维)。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
    碳纤维具有高强度、高模量、耐高温（2000摄氏度以上强度不降）、耐腐蚀、低密度（1.76-1.82g/cm3）、透波性能强、导电性能/电热性能独特、低膨胀系数、自润滑等独特性能。作为一种力学性能优异的新材料，碳纤维的物理性能出色：碳纤维的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430Gpa，亦高于钢。碳纤维的CFRP的比强度（即材料的强度与其密度之比）可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。
    据了解，航天飞机中的返回舱就是碳纤维材料制成的。在传统使用方面，碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。目前，碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域，是军民两用新材料，也属于技术密集型和政治敏感的关键材料。当前，先进的碳纤维技术仍难引进，特别是高性能PAN基原丝技术，更是属于美、德、日等发达国家的保密技术。
    据朱波教授介绍，根据用途，碳纤维主要分为高模量碳纤维、耐烧蚀碳纤维和高强度碳纤维，其原料分别为沥青纤维、粘胶纤维和聚丙烯腈纤维。碳纤维的生产工艺主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。目前，中国碳纤维发展的“瓶颈”在于原丝生产技术，原丝占总成本的 50%-65%，原丝制约着碳纤维的生产成本和市场竞争能力。　

我省碳纤维技术国内领先

　　当1879年爱迪生获得制造电灯中碳丝的专利的时候，碳纤维就存在了，但直到上世纪60年代初航空航天工业亟需性能更优的轻质材料时，碳纤维才开始了深度研究和大规模的商业化生产。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维在科学家的努力下相继出现。
    我国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代。作为“两弹一星”不可或缺的关键材料，我国的碳纤维研究在上世界七十年代有了突破性发展。自上世纪80年代开始，我国开始了高强型碳纤维和碳纤维复合材料的研制并取得了长足发展，在航天主导产品（弹、箭、星、船）上得到了广泛应用。近年来，中国体育休闲用品及压力容器等领域对碳纤维的需求迅速增长，航空航天技术的快速发展急需高性能碳纤维及其复合材料等，市场需求更加旺盛。
    1992年1月，蔡华甦教授从英国获博士学位归来，开始在山东大学（原山东工业大学）开始进行 PAN 基碳纤维的探索性研究，1993 年1月山东省科委立项进行相当于 T300 水平的碳纤维研制, 1994 年6月T300M高性能碳纤维研制通过山东省科委技术鉴定，1996年12月顺利通过了T300聚丙烯腈基碳纤维的中试生产验收。
    始建于1995年1月的山东大学山东省碳纤维工程技术研究中心，是在省政府的重点支持下，由原山东省科委与原山东工业大学联合投资建成的集产、学、研为一体的高科技研究机构，专门从事碳纤维前驱体高性能聚丙烯腈原丝的科技攻关、高强度高模量碳纤维的研究及生产、碳纤维复合材料及其制品的研制开发工作。其主要研究方向是PAN 原丝、PAN基碳纤维、碳纤维复合材料制品。
    自2009年以来，山东大学在碳纤维研究方面技术领先，有着多项自主知识产权，其自主研制的柔性连续碳纤维抽油杆、碳纤维新型导线等产品，已经应用于油田、国家电网等领域。其中碳纤维新型导线技术获得了2011年度山东省科技进步一等奖。
    除山东大学外，文首提到的威海拓展纤维有限公司在碳纤维的研发上也有着相当的实力。2009年8月，该公司启动承建了“碳纤维制备及工程化国家工程实验室”，并已于2011年正是启用。该实验室设有“原丝制备”、“氧化碳化处理”、“助剂研发”、“装备研制”及“理化测试和标准化研究”5个研究室，建有碳纤维产业化单元关键技术研究平台和分析表征平台、高强中模、高模和高强高模碳纤维研发实验平台，为我国高性能碳纤维的研发提供了强有力的技术保障平台，集中了各方资源，发挥了产学研用相结合优势，培养出了国内领先、国际知名的创新团队，提高了我国碳纤维领域的科技创新水平，为增强我国碳纤维产业化的自主保障能力发挥了应有作用。

产业发展相对滞后

    在产业发展上，山东省碳纤维的发展和技术水平相比明显比较落后。
    在2012年产学研展洽会展览区，记者看到的碳纤维产品，除威海拓展纤维有限公司外，还有泰山体育集团旗下山东泰山瑞豹复合材料有限公司生产的自行车，和位于济宁市的山东晨阳新型碳材料有限公司生产的碳纤维原丝等。只是，走遍全部展区，也仅有这几家。
    据威海拓展纤维有限公司现场工作人员介绍，该公司目前已成为国内碳纤维新材料领域高新技术产品产业化的重要基地，拥有百吨级原丝生产线和百吨级碳化生产线，具有CCF300、CCF700两个型号的成熟产品。该公司的产品还供应到上述的山东泰山瑞豹复合材料有限公司。据山东泰山瑞豹复合材料有限公司总裁助理卞志勇介绍，该公司已经开建了年产10万辆碳纤维自行车项目，只是目前还没有批量生产。可能也正是这一原因，威海拓展纤维有限公司生产的碳纤维以原材料出售给省外的企业，如其与湖南天利恩泽太阳能科技公司合作开发了风机叶片，为上海通用汽车提供碳纤车用踏板、车用减震板簧等，同时还出口国外用于碳纤维大提琴包装盒等。
    据朱波教授介绍，作为科研成果产业化项目，山东大学碳纤维工程技术研究中心和某公司联合成立了山东鲁发碳纤维复合材料有限公司。这家位于济南市天桥区新材料工业园的新公司，计划总投资3.68亿元，设计生产能力年产2万千米碳纤维复合芯导线。记者在该公司网站上查阅到，目前该公司已经建成了齐全的测试设备和完善的中试生产体系，还有配套完善的办公、生活设施，公司的注册资金是1000万元。
    目前，山东省碳纤维产业发展已经起步，只是，还没有比较完整的产业链，更谈不上产业集群，其研发的成果，距离真正的产业化，还有相当远的路要走。
    在这次产学研展洽会上，朱波教授向与会企业推介项目时，也是信心饱满。他希望能够和外界在碳纤维绳索中试及产业化、高速列车刹车片联合开发与推广、碳纤维复合材料加热元件、碳纤维复合材料汽车部件联合开发、高热阻碳/碳复合材料联合开发（光伏行业）等方面有更多的合作。
    记者了解到，从我国碳纤维行业发展看，在T300碳纤维及其原丝稳定生产技术上，如山东大学等已经取得了自主知识产权，但即使是示范性生产线的建设，也多还是在规划中，或者还没有建成。记者注意到，有来自中科院的学者表示，目前的示范性生产线和中试生产线，至多也就是可以让我们掌握先进国家早已成熟的技术，在跟随的途中，不至于掉队太多，至于取得领先，目前似乎还不是太敢奢望的事情。朱波教授在推介会上也表示，目前中国碳纤维的研究，“和日本等先进国家相比，至少有着二十年的技术差距。”