导语：《流浪地球2》为中国的科幻电影竖起了又一座里程碑，影片中的太空电梯画面极度震撼。太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯，且需要经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。因此，又强又轻的材料成为首选，碳纤维的出现，有潜力将中国科幻作品中的想象变成现实……



科幻电影中的太空电梯


去年8月，国内首套大丝束碳纤维生产线的设备安装宣布全面完成，迈出碳纤维产业升级的关键一步。据悉，这是全球第四家掌握大丝束碳纤维生产技术的企业（前三家为日本、美国、德国），并且此条产线的设备已经实现了全部国产化，标志着我国已经掌握了“黑黄金”的生产工艺流程。

一、碳纤维有何“逆天”之处

纵观人类的每次科技革命，其本质都是能源新利用方式叠加材料应用上的突破，正是由于新材料的规模化使用，才能使得某些过去不可能的理论设计成为现实，最终改变千家万户的生活。

碳纤维被称为“新材料之王”，人类对于碳纤维的研究使用，极有可能成为下一次科技革命的突破口之一。



大量碳丝编织而成的碳纤维


碳有一个很特殊的性质，即碳原子可以互相键结形成长链，此性质被称为“成键”。有了这个性质，碳原子就能连接形成不同的分子，产生了有机化学这门学科，而碳纤维是这个特殊性质的直接产物。

人们常说的“碳纤维”，实际上是“碳纤维增强复合材料”的简称，以此次中国试制成功的大丝束碳纤维为例，这是一种含碳量95%以上的高强度新型纤维材料。碳纤维的本质是很多股碳链条编织的麻绳，而每根链条都依靠碳－碳键直接连接：两个碳原子经sp2杂化形成的碳碳双键（C=C）是自然界最强的价键之一（607KJ/mol），强度极其高。在密度不到钢铁四分之一的前提下，强度却是钢铁的7-9倍（不同工艺和原材料碳化过后产生的碳－碳键长度不同），碳纤维材料的最大优势足以显现。相比于金属材料的另一个优势是其化学性质极其稳定，还具备耐腐蚀的特性。



中大量使用碳纤维的飞机机身


因此，碳纤维在机械制造领域拥有巨大优势。实际应用中，碳－碳链条发挥最基本的强度优势，起到框架作用，配合不同特性的树脂构成满足不同功能的复合材料。在诞生之初，碳纤维复合材料就用于航空航天方面的制造工作，而后才逐渐扩展到更广泛的领域。

二、碳纤维为什么被称为“黑黄金”

碳纤维是质轻身强的“新材料之王”，可以在不牺牲机械性能的前提下减轻重量，但目前真正大规模的使用领域仅有航空航天、赛车/高价值跑车和高铁的车头罩等耐久性产品，这与它在制造终端的高昂价格有直接关系。

仅有不惜工本且要被多次复用的特殊领域才能大量使用碳纤维材料，因为在这些产品中，材料的机械性能和轻量化比成本更重要。



中大量使用碳纤维的F1赛车制造


事实上碳纤维在成型前的原材料价格成本并不十分昂贵，通常使用聚丙烯腈纤维进行高温碳化形成。碳纤维的最终成型体价格昂贵都是因为加工工艺较复杂所导致的。

在碳纤维的制作中，工艺精度要求极高，目前工业界也存在着诸多制约产能的因素，主要是以下三个环节。

1.形成碳丝这是碳纤维生产过程的第一步，碳丝的制备通常使用有机纤维碳化法，先在200-300度中加热足够长的时间，纤维内部实现稳定的化学键；其次在400-1900度的惰性环境中加热足够长的时间，释放非碳元素，纯化形成碳丝；最后石墨化，在惰性环境下继续加温到2500—3000摄氏度，不断加压，让碳形成石墨晶体，加强碳丝的力学性能。形成碳丝全程需要长时间的惰性环境、高温高压，极其费时费力。

2.进行编织碳纤维的物理性质决定了，沿着碳丝本身的横向强度较高，但纵向上则很容易被折断。因此在下一步中，需要把很多碳丝编织成丝束提升强度，丝束再通过编织形成了软性的碳纤维布，以此来提升不同方向的力学性能，这个部分的工艺难度也较高，需要专门的机器进行编织。

3.模塑成型获得大面积的碳纤维布后，产品进入了真正的最终成型环节（这一步通常在主机厂内进行）。碳纤维布被装入真空袋中，使其和模具贴合更加紧密，并以精确用量的树脂浸渍作为成型液，之后再进行高温烘烤使其模塑成型，得到碳纤维成品。这个制作过程没有绝对的技术难点，但基本都需要手工操作，而且手工技术的好坏也直接影响了成品品质，因此这一环节的人工成本极其昂贵、制作效率也比较低。



手工制作的碳纤维跑车车架


三、“黑黄金”的“白菜化”潜力无穷

人类对于碳纤维材料的应用时间并不短，但是距离碳纤维材料被“充分运用”（即任何在性能上需要使用该材料的领域都能用上）还有不小的差距。其中既有技术原因，也有政治和经济原因，碳纤维高性能和低成本两条路径的技术一直被先发国家严密封锁。

碳纤维在中国也曾处于“卡脖子”的境况，碳丝和碳纤维布通常以高昂的价格限量进口。

去年国内首次突破的大丝束（每束碳丝数量大于4.8万根）碳纤维属于低成本方向的技术，有利于快速扩展碳纤维的使用领域，持续优化我国工业的产能效率，在打破外企定价权和定量权之后，随着可用材料强度的提升，众多原本不可能的设计成为可能。

过去受制于成本的风电叶片结构得到优化，可以制造得更轻更大。在基建领域，高强度碳纤维的使用有助于建筑及桥梁结构的减重和补强。进一步“白菜化”的碳纤维将不再成为跑车和赛车的专利，可以用于百万元以下汽车结构件的制造，轻量化的车身能极大地节能减排，赋能我国汽车产业的出口。在多个经济民生的重要领域，碳纤维即将发挥着带来质变的关键作用。



S102风电叶片运用碳纤维主梁，长度超过100米



碳纤维车身制造


结语：

依靠自研打破封锁后，该技术在国内已得到了推广，这将有力降低碳纤维在国内的生产成本，改善我国大丝束碳纤维全部依赖进口、长期供不应求的局面。中国碳纤维将助力中国制造走向世界，化不可能为可能。

碳纤维已被用于大桥的斜拉结构