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國產(chǎn)高性能碳纖維量產(chǎn)落地——
一根細(xì)絲扛千鈞
光明日?qǐng)?bào)記者 崔興毅 光明日?qǐng)?bào)通訊員 徐博研
一根直徑僅6~7微米的細(xì)絲，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)超普通鋼材數(shù)十倍；一束1厘米見方的碳纖維，能承受70噸重壓……2025年年底，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱“山西煤化所”)攻克第二代干噴濕紡工藝，實(shí)現(xiàn)T1000級(jí)高性能碳纖維國產(chǎn)化量產(chǎn)——自此，這一關(guān)鍵技術(shù)，被中國科研團(tuán)隊(duì)耗時(shí)8年攻克下來。
被譽(yù)為“黑色黃金”的高性能碳纖維材料，能讓汽車自身減重超60%，能化身骨骼與牙根植入人體，還能讓5米以上的釣竿保持強(qiáng)悍韌性……它的誕生，是中國科研人自主創(chuàng)新的又一生動(dòng)注腳。
織就“黑色黃金”
碳纖維是高性能輕量化復(fù)合材料的優(yōu)選。剛剛實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化量產(chǎn)的T1000級(jí)高性能碳纖維，正是這一材料領(lǐng)域的最新突破。
這份突破，歷經(jīng)了一場(chǎng)漫長的“材料長征”。
21世紀(jì)初，面對(duì)進(jìn)口碳纖維斷供、國家尖端裝備“無米下炊”的困境，在中國科學(xué)院院士師昌緒等的呼吁下，國產(chǎn)化攻關(guān)緊急啟動(dòng)。
“山西煤化所臨危受命，于2008年成功攻克宇航級(jí)T300碳纖維工程化量產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了從‘無’到‘有’的突破。”山西煤化所副所長張壽春說。
此后，伴隨T700、T800的相繼突破，國產(chǎn)碳纖維開啟了新的爬坡之路。下一座高峰——T1000級(jí)高性能碳纖維，成了主要技術(shù)關(guān)卡。
2016年，張壽春團(tuán)隊(duì)毅然轉(zhuǎn)向第二代干噴濕紡技術(shù)，歷經(jīng)8年自主探索，最終于2025年建成首條T1000級(jí)碳纖維國產(chǎn)化示范線并成功投產(chǎn)。
如此來之不易的T1000級(jí)碳纖維，究竟代表著怎樣的性能高度？“‘T’代表拉伸強(qiáng)度，其后的數(shù)字對(duì)應(yīng)等級(jí)。T1000級(jí)意味著抗拉強(qiáng)度高達(dá)6600兆帕，遠(yuǎn)超普通鋼材數(shù)十倍。”山西煤化所正高級(jí)工程師經(jīng)德齊解釋說。
國產(chǎn)化量產(chǎn)的核心突破，在于第二代干噴濕紡工藝的成功攻克?！耙椌瓦@縷‘黑色黃金’，關(guān)鍵在干噴濕紡的核心制備工藝。其本質(zhì)是讓碳纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)更規(guī)整，通過調(diào)控微晶尺寸，將原本凌亂的結(jié)構(gòu)梳理成規(guī)整形態(tài)，就像把‘雜亂的多層織物’整理為‘整齊的單層結(jié)構(gòu)’，從根本上提升強(qiáng)度與穩(wěn)定性。”張壽春介紹，相較于基礎(chǔ)高性能碳纖維T800，T1000級(jí)的工藝控制點(diǎn)更多、精度要求更嚴(yán)格。
“饸饹面”里的紡絲巧思
“干噴濕紡技術(shù)其實(shí)很好理解，就和山西饸饹面的制作差不多。原料的純化聚合環(huán)節(jié)相當(dāng)于‘和面’，噴絲固化環(huán)節(jié)相當(dāng)于‘壓面’，區(qū)別是干噴濕紡采用低溫工藝，能減少纖維缺陷，進(jìn)而優(yōu)化纖維強(qiáng)度?！睆垑鄞旱倪@個(gè)生動(dòng)比喻，對(duì)應(yīng)著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚥襟E——將紡絲液通過高精度噴絲板擠出后，先經(jīng)空氣段加壓提速，再進(jìn)入凝固環(huán)節(jié)完成固化，最終形成固態(tài)碳纖維。
受饸饹面制作啟發(fā)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過調(diào)整原料“軟硬”、添加助劑減少粘連等方法，歷經(jīng)3年實(shí)驗(yàn)打通干噴濕紡工藝流程。其中，干噴濕紡采用精密噴絲板，將單絲尺寸精準(zhǔn)控制在10微米左右，再通過“多束合成1股”的方式形成12K絲束；同時(shí)，實(shí)時(shí)處理噴絲孔堵塞等缺陷，確保每一束纖維質(zhì)量穩(wěn)定，進(jìn)而增強(qiáng)性能。
然而，“實(shí)時(shí)”與“穩(wěn)定”絕非易事?！白罴值氖钦{(diào)試穩(wěn)定后突然失穩(wěn)的問題。我們開了10多場(chǎng)分析會(huì)議，全流程梳理排查，耗時(shí)近1個(gè)月集中攻關(guān)，最后才定位到是主設(shè)備穩(wěn)定性的問題。”張壽春坦言。
產(chǎn)能放大后，如何維持產(chǎn)品的一致性，成為研發(fā)團(tuán)隊(duì)面臨的重要考驗(yàn)?！熬拖褡龃箦伈?，原料越多越不容易攪拌均勻，很難確保每一口味道一致?！鄙轿髅夯呒?jí)工程師王飛介紹。
令人驚喜的是，上述環(huán)環(huán)相扣的難題，最終都被研發(fā)團(tuán)隊(duì)逐一破解。此刻，紡絲車間內(nèi)設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)，精密噴絲板中紡出的原絲經(jīng)過均勻一致的碳化，在生產(chǎn)線末端轉(zhuǎn)變?yōu)榉褐饘俟鉂傻募兒谏咝阅芴祭w維，表面光滑如鏡。
實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，還要惠及民生
實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，只是這場(chǎng)“材料長征”的上半場(chǎng)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻堅(jiān)的下半場(chǎng)體現(xiàn)在碳纖維的利用上，即推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)干噴濕紡碳纖維在更多領(lǐng)域的進(jìn)口替代，確保我國在該領(lǐng)域的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力。
不同級(jí)別的碳纖維，應(yīng)用場(chǎng)景各有側(cè)重?！霸谛履茉捶矫妫梢杂迷陲L(fēng)力發(fā)電機(jī)巨大的葉片上，也能用在一些新型電力存儲(chǔ)設(shè)備中，實(shí)實(shí)在在地助力減碳?！苯?jīng)德齊介紹，“而在醫(yī)療方面，用碳纖維做的接骨板和牙根，人體很容易接納，不容易產(chǎn)生排斥；此外，做X光檢查時(shí)也不會(huì)形成干擾影，能讓醫(yī)生看得清清楚楚，方便診斷和治療?！?/p>
張壽春認(rèn)為，國產(chǎn)碳纖維要繼續(xù)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；⒌统杀镜纳a(chǎn)，使其能夠廣泛應(yīng)用于國家重大工程與戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，并最終惠及民生。