突破碳纖維“卡脖子”,就差臨門(mén)一腳了。

文丨華商韜略 周瑞華

“苦海有邊,回頭無(wú)岸。”

2003年12月,在聽(tīng)完“十五”碳纖維關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)家組組長(zhǎng)徐堅(jiān)的匯報(bào)后,師昌緒這樣鼓勵(lì)他。

這八個(gè)字,也道盡了中國(guó)碳纖維在突破美日封鎖之路上的艱辛。

【封鎖!封鎖!】

2015年,日本兵庫(kù)縣蘆屋市聚乙烯化學(xué)有限公司75歲的董事長(zhǎng)近藤正二,因四年前的一筆交易被捕。

2011年,他申請(qǐng)向韓國(guó)出售一批碳纖維,但船舶運(yùn)輸貨單卻顯示,這批貨被送到了中國(guó)張家港市。

日本警方認(rèn)定,近藤正二的行為違反了日本《外匯及對(duì)外貿(mào)易法》。

碳纖維是一種含碳量95%以上的新型纖維材料,一根碳纖維只有頭發(fā)絲十分之一那么粗,強(qiáng)度卻是鋼的9倍,而重量還不到鋼的四分之一,耐高溫、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小,用途十分廣泛。在體育用品、風(fēng)電設(shè)備、汽車(chē),以及國(guó)防、軍工領(lǐng)域,都能見(jiàn)到碳纖維的身影。

如我國(guó)最近成功發(fā)射的神州13號(hào)載人飛船上,使用的大尺寸、多開(kāi)口推進(jìn)分系統(tǒng)主承力薄壁加筋截錐,其材料就是碳纖維。

正是由于碳纖維是軍工、國(guó)防領(lǐng)域不可或缺的材料,二戰(zhàn)成立后的巴黎統(tǒng)籌委員會(huì),將其當(dāng)做戰(zhàn)略物資,列入對(duì)華禁運(yùn)名單。

在冷戰(zhàn)時(shí)期,日本更是將碳纖維列為最機(jī)密的五大技術(shù)之一。碳纖維出口到中國(guó),每筆業(yè)務(wù),要求進(jìn)口企業(yè)先辦理最終用戶承諾書(shū),并拿到我國(guó)商務(wù)部等有關(guān)部門(mén)的蓋章、背書(shū),然后日本企業(yè)以此承諾書(shū)申請(qǐng)?jiān)S可證,拿到許可證才能正常報(bào)關(guān)。而且,能出口中國(guó)的,大多為低端民用級(jí)別。

而中國(guó),偏偏又是碳纖維消耗大國(guó)。

2013年-2015年,中國(guó)的碳纖維消耗量為1．51萬(wàn)噸、1．47萬(wàn)噸、1．69萬(wàn)噸,約占全球碳纖維消耗量的30%、27．6%和22．72%。

而全球碳纖維市場(chǎng),過(guò)去基本上是美日企業(yè)的天下。僅日本東麗,三菱和東邦,其碳纖維產(chǎn)能就占全球的50%。

▲2015年全球碳纖維理論產(chǎn)能,前五家公司分別為日本東麗、德國(guó)西格里、東邦、三菱和中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)塑 來(lái)源:《2015年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》

因此,在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里,碳纖維,和芯片一樣,卡住了中國(guó)的脖子。

更令人痛心的是,在碳纖維這條賽道上,中國(guó)曾經(jīng)和日本、美國(guó)站在同一起跑線上。

結(jié)果,美日壟斷了碳纖維,而中國(guó),卻掉隊(duì)了。

【起大早,趕晚集】

中國(guó)碳纖維發(fā)展歷程,是“起了個(gè)大早,趕了個(gè)晚集”。

碳纖維1879年就被愛(ài)迪生發(fā)明出來(lái),但受制于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,達(dá)不到使用標(biāo)準(zhǔn),碳纖維的研究就此被擱置。

直到20世紀(jì)50年代,航天航空、火箭等尖端技術(shù)的發(fā)展,迫切需要一種耐高溫、比強(qiáng)度高的新型材料。

▲碳纖維應(yīng)用場(chǎng)景 來(lái)源:工信部《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,中簡(jiǎn)科技招股說(shuō)明書(shū),中金公司研究部

美國(guó)率先重啟了碳纖維的研發(fā),在1950年代以黏膠基為原材料,研發(fā)出黏膠基碳纖維。但這種碳纖維的碳化率只有20%,無(wú)法大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

不過(guò),這個(gè)消息啟發(fā)了亞洲的碳纖維研究。

1960年代初,幾乎同一時(shí)間,日本和中國(guó)都開(kāi)啟了碳纖維的研發(fā)。

大阪工業(yè)研究所的近藤昭男,研發(fā)出了以聚丙烯腈(PAN)為前驅(qū)體的PAN基碳纖維,碳化率在50%-60%,性能也優(yōu)于黏膠基纖維,可廣泛應(yīng)用于軍工、航天飛機(jī)部件、體育用品和鋰電池等眾多領(lǐng)域。

1960年代初,利用近藤昭男的專(zhuān)利,日本碳素公司、東海電極公司陸續(xù)開(kāi)始研究PAN基碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路,日本東麗公司也建立了碳纖維研究和制造設(shè)施,尋找PAN基碳纖維的前驅(qū)體纖維。

與日本同一時(shí)間,中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所李人元設(shè)立了聚丙烯腈基碳纖維課題,展開(kāi)基礎(chǔ)研究工作。

到1970年,日本東麗在基礎(chǔ)聚合物和設(shè)備制備工藝上,獲得了雙重突破。也是在這一年,它做出了一個(gè)技術(shù)組合戰(zhàn)略:一是拿下近藤昭男的專(zhuān)利授權(quán),改進(jìn)工藝;二是與還沒(méi)有取得突破的日本碳素公司和東海公司合作,買(mǎi)下兩家公司十年探索的研發(fā)成果;最后,東麗還與UCC(美國(guó)聯(lián)合碳化物公司)簽訂交叉授權(quán)協(xié)議,用自己在高性能原材料上的研究成果換UCC的碳化技術(shù)。

東麗集合了當(dāng)時(shí)全球碳纖維最先進(jìn)技術(shù),第二年就生產(chǎn)出Toraca T300碳纖維,并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),碳纖維商業(yè)化的大門(mén)向東麗打開(kāi)。

隨后,東麗在體育用品和民用航空領(lǐng)域打開(kāi)了市場(chǎng)。到1975年,其碳纖維不僅用于生產(chǎn)高爾夫球桿、釣魚(yú)竿,還成功地應(yīng)用在波音737飛機(jī)上,自此東麗與波音開(kāi)始了長(zhǎng)期合作。

日、美企業(yè)技術(shù)互通有無(wú),在碳纖維上實(shí)現(xiàn)突破的同時(shí),各大公司對(duì)中國(guó)保持一致態(tài)度:不轉(zhuǎn)讓技術(shù)、不出售設(shè)備。這導(dǎo)致中國(guó)在碳纖維的研發(fā)上裹足不前。

1970年代,中科院化學(xué)研究所、化工部吉林化工研究院、中科院山西燃化所等科研單位都加入到碳纖維的研究中,并實(shí)現(xiàn)了一定的突破,但產(chǎn)品不光性能差,產(chǎn)量也很小。

1974年底,東麗公司碳纖維生產(chǎn)線的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到13噸/月,而我國(guó)1975年全年碳纖維產(chǎn)量?jī)H50公斤,遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

我國(guó)新型戰(zhàn)斗機(jī)1964年就設(shè)計(jì)完成,但碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片,卻遲遲無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

這年11月,時(shí)任國(guó)防科工委主任的張愛(ài)萍將軍召集多個(gè)部門(mén),在北京召開(kāi)第一次全國(guó)碳纖維會(huì)議(史稱“7511會(huì)議”),首次把碳纖維的研發(fā)提升到國(guó)家層面。

也是從這以后,我國(guó)碳纖維的研發(fā)從過(guò)去各部門(mén)分散無(wú)序的狀態(tài),轉(zhuǎn)入有計(jì)劃、有目標(biāo)的研究發(fā)展。

但中國(guó)的碳纖維研發(fā)并沒(méi)有就此走上快車(chē)道。

一方面是由于國(guó)外的技術(shù)封鎖,另一方面,國(guó)內(nèi)各部門(mén)研究沒(méi)有形成主流技術(shù)路線,研究力量分散,沒(méi)能形成合力辦大事。

當(dāng)時(shí)我國(guó)最好的產(chǎn)品,性能也只能達(dá)到東麗公司T200級(jí)水平,而且質(zhì)量不穩(wěn)定,無(wú)法用作航空航天結(jié)構(gòu)材料,國(guó)防事業(yè)被卡脖子。

上世紀(jì)80年代,我國(guó)第二代戰(zhàn)略導(dǎo)彈東風(fēng)-31洲際導(dǎo)彈,就因?yàn)槲覈?guó)搞不出航天級(jí)高純黏膠基碳纖維,無(wú)法承受高空高速飛行和重返大氣層時(shí)驟然升高的氣溫,導(dǎo)致首飛失敗。

不僅國(guó)防被卡脖子,即便是普通民用產(chǎn)品,也要看日美碳纖維企業(yè)的臉色。

當(dāng)時(shí),山東威海生產(chǎn)碳纖維釣魚(yú)竿的威海光威集團(tuán),碳纖維靠進(jìn)口,上游碳纖維生產(chǎn)企業(yè)很傲慢,對(duì)它是“通知性漲價(jià),賞賜性供給”,過(guò)得很憋屈。

這種“憋屈”,北京中科院化學(xué)所原副所長(zhǎng)吳仁杰還有更形象的說(shuō)法:

“我們就像一個(gè)醒來(lái)的人,打哈欠,伸懶腰,總也起不來(lái)床�！�

【突破壟斷】

2000年春節(jié),國(guó)家戰(zhàn)略科學(xué)家?guī)煵�緒找到國(guó)家自然科學(xué)基金委材料科學(xué)部原常務(wù)副主任李克健,提出“抓一下碳纖維”。

師昌緒是中國(guó)材料學(xué)之父,我國(guó)高溫合金材料研究的奠基人。但一提到“碳纖維”,李克健還是直搖頭,“這事太復(fù)雜!誰(shuí)抓誰(shuí)麻煩。”

他的擔(dān)心不無(wú)道理。

當(dāng)時(shí)距離1962年李人元開(kāi)始碳纖維課題研究,已經(jīng)過(guò)去近40年,距離7511會(huì)議,也已經(jīng)25年。

但這么多年下來(lái),我國(guó)僅有少量碳纖維作為燒蝕材料供貨,國(guó)防軍工所需的高性能碳纖維,基本全部靠進(jìn)口。

但2000年前后的國(guó)際形勢(shì)嚴(yán)峻,1964年新型戰(zhàn)斗機(jī)被卡脖子的情形還歷歷在目,80歲的師昌緒憂心忡忡:

“如果碳纖維搞不上去,拖了國(guó)防的后腿,我死不瞑目。”

在他的推動(dòng)下,2002年,科技部國(guó)家863計(jì)劃,設(shè)立碳纖維關(guān)鍵技術(shù)304專(zhuān)項(xiàng),撥款1億元,成立專(zhuān)家組,展開(kāi)集約攻關(guān)。

這意味著,40年后,我國(guó)再一次向碳纖維發(fā)起沖刺,開(kāi)啟了沖出國(guó)際壟斷的逆襲之旅。

在總結(jié)了過(guò)去40年碳纖維研究失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后,304專(zhuān)家組制定了“十五”碳纖維研究的戰(zhàn)略目標(biāo)和運(yùn)行機(jī)制:

改變過(guò)去各家院所分頭搞研究,明確將PAN原絲作為攻關(guān)方向;

打破各院所、組織的“門(mén)戶之見(jiàn)”,形成專(zhuān)利、技術(shù)、信息和戰(zhàn)略調(diào)研的共享機(jī)制;

建立獨(dú)立的考評(píng)機(jī)制,并搭建各組織、院所公用的表征測(cè)試平臺(tái)。

這套運(yùn)行機(jī)制,把各研究機(jī)構(gòu)擰成一股繩,勁兒往一處使,目標(biāo)一致,攻克碳纖維。

碳纖維是多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的技術(shù),過(guò)去,我國(guó)部委分割過(guò)細(xì),碳纖維研究的各個(gè)環(huán)節(jié)、技術(shù)由各部委分管,這也拖累了碳纖維研究。

師昌緒吸取了此前的教訓(xùn),定下一條規(guī)矩:誰(shuí)拿專(zhuān)項(xiàng)的錢(qián),誰(shuí)就歸我們管。

在當(dāng)時(shí)嚴(yán)峻的國(guó)際形式下,為了盡快研發(fā)出碳纖維,軍用新材料專(zhuān)家趙稼祥為組長(zhǎng)的評(píng)估專(zhuān)家組,每三個(gè)月就去科研單位現(xiàn)場(chǎng)取樣,送到第三方單位統(tǒng)一測(cè)試。

2003年11月,PAN碳纖維獨(dú)立考評(píng)數(shù)據(jù)第一次第三方盲測(cè)結(jié)果出爐:6家國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位,無(wú)論是碳纖維的強(qiáng)度、模量還是伸長(zhǎng)率,沒(méi)有一家達(dá)到東麗公司最低檔T300的標(biāo)準(zhǔn)。

這個(gè)結(jié)果讓當(dāng)時(shí)的304專(zhuān)家組組長(zhǎng)徐堅(jiān)心情沉重,在向師昌緒匯報(bào)工作時(shí),他用“苦海無(wú)邊,回頭是岸”結(jié)尾。

師昌緒回贈(zèng)了他八個(gè)字——苦海有邊,回頭無(wú)岸,鼓勵(lì)他不要輕言放棄。

東邊不亮西邊亮,就在徐堅(jiān)心灰意冷的時(shí)候,當(dāng)年那家生產(chǎn)釣魚(yú)竿的公司——威海光威集團(tuán),傳來(lái)一個(gè)好消息:公司已經(jīng)生產(chǎn)出碳纖維原絲,要求加入304項(xiàng)目組。

高校院所、國(guó)有企業(yè)幾十年都搞不出來(lái),一家民營(yíng)企業(yè)能行?

專(zhuān)家組將信將疑地到現(xiàn)場(chǎng)取樣考察,結(jié)果顯示:光威集團(tuán)生產(chǎn)的碳纖維與東麗T300級(jí)指標(biāo)最為接近。

1998年,光威集團(tuán)創(chuàng)始人陳光威提出“跳出院墻、圍著院墻轉(zhuǎn)”的戰(zhàn)略,把業(yè)務(wù)往釣魚(yú)竿產(chǎn)業(yè)鏈上游延伸,引進(jìn)國(guó)內(nèi)首條寬幅碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)線。

▲陳光威

碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)線投產(chǎn)后,大獲成功,但主要原材料碳纖維,依然依賴進(jìn)口。2002年,得知科技部已經(jīng)立項(xiàng)研發(fā)碳纖維,陳光威決定“為國(guó)家干點(diǎn)事”。

他不顧碳纖維專(zhuān)家的勸阻,投入到碳纖維研發(fā)中。沒(méi)有國(guó)家科研經(jīng)費(fèi),他不惜抵押了自己的房子,還搭上光威十幾年來(lái)在釣具和預(yù)浸料業(yè)務(wù)上的全部積累,帶著技術(shù)骨干沒(méi)日沒(méi)夜地改進(jìn)生產(chǎn)工藝,終于生產(chǎn)出中國(guó)人自己的碳纖維。

光威集團(tuán)的成功,讓304專(zhuān)家組調(diào)整了支持方向,把民營(yíng)企業(yè)也納入項(xiàng)目,與國(guó)企公平PK。

效果很快顯現(xiàn)出來(lái):

2005年,光威T300級(jí)碳纖維通過(guò)了“863”計(jì)劃驗(yàn)收,百噸級(jí)T300生產(chǎn)線投產(chǎn)。

這意味著,我國(guó)國(guó)防建設(shè)所需關(guān)鍵材料CCF-1級(jí)(相當(dāng)于東麗T300)碳纖維,可以自給自足了。

卡了30多年的脖子,終于撬開(kāi)了一道喘息的縫。

【臨門(mén)一腳】

自2005年以來(lái),中復(fù)神鷹、吉林碳谷、江蘇恒神…一批抱著“纖維救國(guó)”理想的企業(yè)涌現(xiàn),并取得了一系列成果:

2012年,中復(fù)神鷹張國(guó)良團(tuán)隊(duì),攻克了干噴濕紡T700碳纖維工藝。

這一技術(shù)的突破可使紡絲速度達(dá)到400米/分鐘,是傳統(tǒng)濕法紡絲速度的5倍,此前只有日本個(gè)別企業(yè)掌握。

2018年,上海石化突破從12K(K即千)小絲束到48K大絲束碳纖維的技術(shù)瓶頸。

在相同的生產(chǎn)條件下,48K大絲束可大幅提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能,降低生產(chǎn)成本,為產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。

2019年初,中科院山西煤炭化學(xué)研究所,在干噴濕紡制備T-1000級(jí)超強(qiáng)碳纖維核心技術(shù)上,實(shí)現(xiàn)重大突破

到2019年,我國(guó)碳纖維理論產(chǎn)能,以2．685萬(wàn)噸,排在美國(guó)(3．73萬(wàn)噸)和日本(2．91萬(wàn)噸)之后……

今年9月28日,被譽(yù)為“粵港澳大灣區(qū)”最快地鐵的廣州地鐵18號(hào)線,首段正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng),在該路段運(yùn)營(yíng)的“灣區(qū)藍(lán)”,是我國(guó)首列車(chē)頭頭罩采用輕質(zhì)高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料的高速地鐵列車(chē)。

它使用的碳纖維復(fù)材,是由上海石化自主研發(fā)生產(chǎn)的。

20天前,中復(fù)神鷹母公司中國(guó)建材集團(tuán)第一條年產(chǎn)萬(wàn)噸的碳纖維生產(chǎn)線,在青海西寧正式投產(chǎn),首批碳纖維產(chǎn)品,已達(dá)到國(guó)內(nèi)T700及T800級(jí)水平。

雖然最早研發(fā)碳纖維,是為國(guó)防軍事所用,但碳纖維的競(jìng)賽,不限于軍事領(lǐng)域。對(duì)于中國(guó)這樣一個(gè)制造大國(guó)而言,碳纖維還將撬動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

就拿民用大型客機(jī)來(lái)說(shuō),我國(guó)大飛機(jī)與波音、空客的競(jìng)爭(zhēng),其實(shí)就是一場(chǎng)新材料之爭(zhēng)。

有數(shù)據(jù)顯示,民航飛機(jī)每減輕一公斤,每年可節(jié)省6萬(wàn)美元的燃油費(fèi)。

目前,空客A350和波音787,采用的碳纖維復(fù)合材料比例已經(jīng)達(dá)到50%以上,中國(guó)商飛新研制的C919機(jī)型,才剛達(dá)到30%左右。

而碳纖維還有更廣泛的使用領(lǐng)域,從高檔數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、航空航天裝備,到海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備,未來(lái)碳纖維都能重塑整個(gè)產(chǎn)業(yè)。

這也意味著,產(chǎn)業(yè)化才能讓中國(guó)碳纖維更強(qiáng)。

目前,碳纖維領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù),尤其是T1000及以上級(jí)別的高端尖貨,我國(guó)雖然已攻克高端碳纖維的技術(shù),并在2019年下半年開(kāi)始量產(chǎn),但其市場(chǎng)已被日美引領(lǐng),而同一時(shí)期,日本東麗已經(jīng)研究出強(qiáng)度是T1000十倍的T2000級(jí)碳纖維。

尤其碳纖維“龍頭”日本東麗的產(chǎn)品,如今已經(jīng)做到從小絲束到大絲束,從線、條到面板,全系列覆蓋,并且在高端碳纖維領(lǐng)域幾乎壟斷了國(guó)際航空市場(chǎng)。

差距就是機(jī)遇。

基礎(chǔ)已經(jīng)打好,伴隨規(guī)�；�的產(chǎn)業(yè)進(jìn)程推進(jìn),中國(guó)碳纖維在高端領(lǐng)域崛起,相信也是指日可待。而總結(jié)碳纖維這一追趕歷程,以下兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)是重要,且值得科技攻關(guān)整體參考借鑒的:

首先,重大科技攻關(guān),要集中力量辦大事。重大科技項(xiàng)目,投入周期長(zhǎng)、難度大,分散兵力,看似容易東方不亮西方亮,但最終卻往往因?yàn)槊總�(gè)項(xiàng)目的力量和資源都有限,而都不亮,甚至全軍覆沒(méi)。

其次,要重視民營(yíng)企業(yè)的力量,市場(chǎng)機(jī)制的力量。比如,光威對(duì)碳纖維的突破,就對(duì)整體攻關(guān)起到巨大作用,而這背后,正是民營(yíng)企業(yè)家在市場(chǎng)激勵(lì)下的創(chuàng)新創(chuàng)造。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《中國(guó)碳纖維:“苦海有邊,回頭無(wú)岸”》原載于《師昌緒院士戰(zhàn)略思維與實(shí)踐足跡》徐堅(jiān)

[2]《碳纖維40年:國(guó)際封鎖下的艱難攻關(guān)》《經(jīng)濟(jì)》雜志 黃芳芳

[3] 央視紀(jì)錄片《大國(guó)之材-碳纖維》

[4]《被“卡脖子”逼出來(lái)的碳纖維》新材料在線 李書(shū)鄉(xiāng)

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