◎本報記者 操秀英

　　大絲束碳纖維的每一根絲束都有4.8萬根纖維，每一根纖維的直徑只有頭發(fā)絲直徑的1/7到1/8。上海石化研發(fā)生產(chǎn)的大絲束碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的7—9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。

　　碳纖維是新一代增強纖維，被稱為“新材料之王”“黑黃金”，可廣泛應(yīng)用于航空航天、能源裝備、交通運輸、體育休閑等領(lǐng)域。按絲束規(guī)格的不同，可以將其分為小絲束碳纖維和大絲束碳纖維。長期以來，我國主要在小絲束碳纖維方面實現(xiàn)了突破。隨著我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車，并生產(chǎn)出性能媲美國外同級別產(chǎn)品的合格產(chǎn)品，我國大絲束碳纖維也從關(guān)鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化，成功走向規(guī)模化和關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化，一舉破除了我國碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動局面。

　　發(fā)展“大絲束”可降低碳纖維成本

　　眾所周知，碳纖維是新能源、節(jié)能環(huán)保、高端裝備制造、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的新型結(jié)構(gòu)材料，更是大型飛機、衛(wèi)星、船舶等裝備研制和更新?lián)Q代的重要基礎(chǔ)。

　　在業(yè)內(nèi)，通常將每束碳纖維根數(shù)大于4.8萬根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維。

　　“它每一根絲束都有4.8萬根纖維，每一根纖維的直徑只有頭發(fā)絲直徑的1/7到1/8。我們把碳纖維從特制的像花灑一樣的紡絲噴頭中噴出、擠出后，再對其進行像拉面條一樣的牽伸就形成了大絲束碳纖維原絲。”中國石化上海石油化工股份有限公司（以下簡稱上海石化）碳纖維事業(yè)部副總經(jīng)理李鵬介紹。

　　目前，國內(nèi)每束碳纖維基本處于1000根至1.2萬根之間，這樣的碳纖維被稱為小絲束碳纖維。但是由于小絲束碳纖維成本高，影響了下游企業(yè)應(yīng)用碳纖維的積極性。

　　“我們發(fā)現(xiàn)如果要推廣碳纖維實現(xiàn)工業(yè)化的應(yīng)用，一定要發(fā)展‘大絲束’。”上海石化副總經(jīng)理黃翔宇強調(diào)，我們在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)48K大絲束碳纖維的優(yōu)勢是在相同的工藝條件下，能夠大幅度地提高碳纖維的單線的生產(chǎn)能力，如果控制得好，它的質(zhì)量性能也能得到保證，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)低成本，從而打破了碳纖維高昂價格帶來的應(yīng)用局限。

　　用“中國技術(shù)”生產(chǎn)性能優(yōu)異的碳纖維

　　碳纖維技術(shù)有著森嚴的技術(shù)壁壘，此前大絲束碳纖維生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在美國、德國、日本的幾家大公司手中。中國石油化工集團有限公司（以下簡稱中國石化）是國內(nèi)第一家、全球第四家掌握大絲束碳纖維技術(shù)的企業(yè)。

　　大絲束碳纖維研發(fā)難在哪？上海石化相關(guān)技術(shù)負責人介紹，主要難點包括大絲束碳纖維制備過程中氧化反應(yīng)放熱的有效控制、一束絲4.8萬根碳纖維的紡絲均勻穩(wěn)定性控制，以及生產(chǎn)線連續(xù)運行周期和穩(wěn)定性。

　　黃翔宇介紹，為了在大絲束碳纖維制備中真正用上“中國技術(shù)”，上海石化從裝備到工藝，為大絲束碳纖維量身定制了專用生產(chǎn)線，如根據(jù)大絲束碳纖維的生產(chǎn)要求自行設(shè)計氧化爐、碳化爐，不僅成功掌握了控制溫度場的關(guān)鍵技術(shù)，而且進行了節(jié)能型設(shè)計，可實現(xiàn)能源綜合利用。

　　此外，上海石化采用聚合物分子鏈結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)獲得良好熱性能原絲，系統(tǒng)研究紡絲原液流變性能保證原絲質(zhì)量穩(wěn)定性，開發(fā)特殊的連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)，大大減少停車次數(shù)，極大提高生產(chǎn)效率。

　　上海石化研發(fā)生產(chǎn)的大絲束碳纖維，是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料。其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的四分之一，強度卻是鋼的7—9倍，并且還具有耐腐蝕的特性。

　　國產(chǎn)大絲束碳纖維已開始產(chǎn)業(yè)化布局

　　上海石化首條48K大絲束碳纖維國產(chǎn)線可實現(xiàn)規(guī)模化、高品質(zhì)生產(chǎn)。該項目計劃于2024年全部建成投產(chǎn)，屆時將達到2.4萬噸/年原絲、1.2萬噸/年大絲束碳纖維產(chǎn)能。

　　自主研發(fā)大絲束碳纖維生產(chǎn)線投產(chǎn)，將給整個碳纖維市場帶來哪些影響？專家分析，首先隨著碳纖維國產(chǎn)化的不斷推進，對市場最大的影響是進口碳纖維價格的下降。

　　數(shù)據(jù)顯示，隨著國內(nèi)碳纖維國產(chǎn)化的推進，進口碳纖維價格預(yù)計將從最高每噸4.5萬美元降至每噸1萬美元左右，這對于全產(chǎn)業(yè)鏈應(yīng)用來說是一個利好消息。

　　數(shù)據(jù)顯示，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬噸，其中大絲束碳纖維需求量為51400噸，占比約43.5%。2021年我國碳纖維需求量達到6.24萬噸，較2020年增加27.7%，占全球碳纖維需求量的53%。專家表示，碳纖維在新能源、風電、光伏、汽車、體育用品等下游市場的應(yīng)用需求將逐漸爆發(fā), 滲透率不斷提升。

　　業(yè)內(nèi)專家稱，中國碳纖維行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，根據(jù)目前各企業(yè)已宣布的投資擴產(chǎn)計劃，如果所有建設(shè)項目可以順利投產(chǎn)落地，“十四五”末期，中國新增碳纖維產(chǎn)能將達21萬噸以上，其中新增大絲束碳纖維產(chǎn)能達17.6萬噸，中國大絲束產(chǎn)能擴張時代將隨之開啟。

　　科技日報記者了解到，中國石化實現(xiàn)大絲束碳纖維量產(chǎn)之后，已經(jīng)開始尋求和新能源汽車企業(yè)的合作，通過使用輕量化的碳纖維零部件，增加新能源汽車的續(xù)航里程。

　　“我們和蔚來有框架合作協(xié)議，和比亞迪也有合作。我們在做汽車輕量化的工作，已經(jīng)進入了產(chǎn)業(yè)化布局。”中國石化首席專家莊毅說。

　　中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會秘書長孟弋潔表示，2030年，我國大絲束碳纖維產(chǎn)值應(yīng)該能達到500億元量級，將帶動千億級的復(fù)合材料市場規(guī)模。

　　除了大絲束碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)，中國石化也正大力推進碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)和應(yīng)用。中國石化有關(guān)負責人表示，在未來的碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，中國石化將在科研方面繼續(xù)加大投入，產(chǎn)業(yè)方面加快布局，機制體制方面深化創(chuàng)新，應(yīng)用場景全面推廣，同時，堅持走自己的道路，做自己的特色產(chǎn)品。在“十四五”末，中國石化將在多種工藝流程實現(xiàn)通用級、大絲束、小絲束、高性能等產(chǎn)品的全面突破，進行總體布局，滿足國家各個領(lǐng)域的需求，為引領(lǐng)和推動中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出貢獻。

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　　全球碳纖維需求量持續(xù)增長

　　根據(jù)賽奧碳纖維《2016—2021全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》，從全球的維度來看，碳纖維需求量從2016年的7.65萬噸增至2021年的11.8萬噸，復(fù)合年均增長率（CAGR）為9.02%，2021年同比增速從2020年的3.05%提升至10.42%，2025年預(yù)計全球需求量達20萬噸。從國內(nèi)的維度來看，碳纖維需求量從2016年的1.96萬噸增至2021年的6.24萬噸，CAGR為26.06%，2021年的同比增速高達27.69%，2025年預(yù)計國內(nèi)需求量為15.93萬噸。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，2021年全球和國內(nèi)碳纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域均是風電葉片。2021年全球碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域分別是風電葉片（27.97%）、體育休閑（15.68%）和航空航天（13.98%）；而國內(nèi)占比前三的領(lǐng)域分別是風電葉片（36.07%）、體育休閑（28.05%）和碳/碳復(fù)材（11.22%）。風電葉片、體育休閑、航空航天、碳/碳復(fù)材等領(lǐng)域的需求占據(jù)了碳纖維市場需求的主要部分。