那碳纤维到底有多难造?为何我国会长期依赖进口呢?碳纤维号称“黑色黄金”,制造难度堪比芯片,有人说它是比铁还硬的布。
碳纤维是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维,它的外表看起来像柔软的黑线。一根碳纤维丝的直径比头发丝细5倍,硬度是钢材的10倍,一个普通的碳纤维头盔价钱就在1000元以上。而造成碳纤维价格远远高于普通材料的原因,正是制造难度。
碳纤维的制造过程分为四步,纤维纺丝、预氧化、碳化和石墨化。纤维纺丝就是把腈纶、凝胶等原材料先高温加热,然后用机器挤压成纤维条。接着是预氧化,在400度高温下,拉伸纤维跟空气中的氧结合进行氧化。下一步是碳化,在一个1200~1600度的氧化炉中,用高温去除杂质,这时纤维逐渐碳化成黑色。最后一步就是石墨化,在高纯度的氩气中,将纤维加热至2000—3000度,到这里碳纤维便形成了。
碳纤维的应用也非常广泛,日常生活中常见的鱼竿、球拍、自行车等,都采用了碳纤维作为原材料。而碳纤维与树脂等结合成的复合材料,比不锈钢轻50%,比铝合金轻30%,常被用于航天军工等高科技领域。
近年来,由于航天航空工业的发展,我国的碳纤维需求量大幅增加。以2020年为例,我国碳纤维需求量达4.88万吨,其中3.04万吨为进口,占需求量的62%。那为什么我国长期依赖进口呢?
在上世纪70时代中期,我国就开始研制碳纤维,但当时技术不成熟。到了80年代,我们从国外引进了生产技术,国内碳纤维行业才开始发展,期间很长一段时间,我国只能生产12K的小丝束碳纤维,而产能和质量还远低于国外产品,更不用说高端碳纤维生产技术。这种技术是由美国和日本的两家公司研发的,他们长期对我国进行技术封锁,所以高端碳纤维产品,我国一直只能依赖进口。
但幸运的是,在科研人员的不懈努力下。2018年,我国碳纤维生产技术成功实现了从12K小丝束到48K大丝束的飞跃,达到了世界先进水平。这一技术突破大大改善了,我国高端碳纤维被美日“卡脖子”的窘境。