美日主导碳纤维后,中国何时上场?

大家好,我是观察者网《科工力量》栏目主播,冬晓。走在大街上,如果有一辆超级跑车,从身边飞驰而过,往往引起一片惊叹,“好漂亮的超跑,买不起”。这类外形轻便炫酷的汽车,往往大量使用了一种特殊材料,“碳纤维”。可以说,这种材料令超跑厂商达到了痴迷的程度。碳纤维有什么特殊的性质?各国为何重视这类材料?美日为此产生过哪些私斗?国内的技术水平又如何呢?这期视频,我们就来聊聊这些话题。

颜色黑黑、带点纹理、又轻便牢靠,是公众对碳纤维的普遍印象。可深入研究其性质,你会发现,它是外柔内刚的“真汉子”。通常而言,碳纤维的直径在10微米左右,七八根排在一起,才有头发丝那么粗。可它的拉伸强度却能达到4800兆帕,是钢的7到9倍。在几千度的高温下,别的纤维化成灰烬,它却能丝毫无损。像超跑的驾驶舱,就是碳纤维制成的。这也就是发生车祸的时候,即使车体完全分解,但驾驶舱还保持完整的根本原因。正是因为这种优异的特性,F22、F35等战斗机也大量使用了这种材料。

说起来,碳纤维的原料不算稀罕,像聚丙烯腈,就是使用较多的原材料,而且生活中很常见。我们生活中,大多数人身上穿的毛衣,都会用到聚丙烯腈纤维化后的腈纶材料,取代昂贵的天然羊毛。但是,从聚丙烯腈到我们最终看到的碳纤维,却要经过漫长的复杂工艺流程。相信大家对拉面的制作过程,并不陌生。醒面团,切成条状之后,要在上面抹油,防止黏连,随后通过各种花式抻面,在牵引力的作用下,面条变得越来越细、越来越均匀,强度也越来越高,吃起来越有嚼劲。类似的,聚丙烯腈丝条也要涂上油剂,通过精确控制的牵伸,最终获得细旦化、高强化的碳纤维原丝。接下来,白色的原丝通过预氧化、碳化等高温连续工艺,颜色从白变黄,再到从黄变黑,如同生面团烤制面饼。纤维也变得越来越细,最终形成结构致密、强度惊人的碳纤维。

有人就问了,既然碳纤维性能这么优异,怎么平常生活中并不是见的很多呢?因为这种材料除了工艺复杂、成本偏高外,也有性能缺点。之前听到过这样一个段子:用碳纤维做飞机机体,有可能掉个扳手上去,就会砸个坑。比起金属材料,碳纤维修复性能差,如果出现损坏,就只能整体换新。像汽车,如果大比例使用碳纤维,做车壳和主要承力部件,车重大幅度减轻,油耗会大大降低,车的操纵性能也会很大提高,好处很多。但同时带来的问题是,成本大幅度提高,很多人都会买不起车。而且碳纤维的部件修复性差,同样的事故,金属制的车还能修复,以碳纤维为主的汽车很可能就要报废了。那为啥跑车都用这种材料。因为跑车如果出事,那不管是什么材料造的,基本上就没有什么修复的价值了。而且,跑车属于奢侈品,买跑车、玩跑车的人,都是对价格相对来说不那么敏感的。

大比例使用碳纤维复合材料的,还有民用客机,民用客机最重要的是日常运行的稳定性,机身材料贵一点没关系。再加上客机通常不会受到外力损伤,所以,碳纤维部件修复性差也不重要,如果发生空难,不管什么材料,都没有修复这么一说了。

美、日早在上个世纪50年代末,就已经开始投入大笔的资金,用于碳纤维研究。他们不仅互相私斗,还对中国实施禁运。首先,来说说美国。他们的碳纤维研究,还要追溯到爱迪生。1879年,爱迪生发明了以碳纤维为发光体的白炽灯,之后,还注册了碳纤维灯丝制作技术的专利。不过,用的原材料是天然纤维,没有结构强力,制成的灯丝容易碎裂、折断,不耐用,后来被钨丝取代。碳纤维研究真正的大发展,还得到七十年后,依靠美国国家力量推动。在美苏冷战初期,美国空军需要寻找到能够耐烧蚀的材料,来制造航天飞机,碳纤维成了选择项。大量的研究投资,让科学家找到了提高其性能的办法,并开始了工业生产。说到这里,很多人就疑惑了,既然这种材料是美国人发明的,怎么就又和日本人扯上了关系呢?前面提到碳纤维的原料,它不仅可以用聚丙烯腈,还可以是沥青等其他物质。可美国过于关注后者。当时身在大洋彼岸的日本,听到对岸碳纤维技术取得突破,受到启发,也默默的展开研究,而他们用的原材料恰恰是聚丙烯腈。

在碳纤维领域有句玩笑话,“UCC跌倒,东丽吃饱”,说的是两家公司,“日本东丽”和“美国化工巨头联合碳化物公司UCC”。前者是今天碳纤维产业界老大,然而当初,却只是个无足轻重的小角色。后者是当时的时代领军者。70年代,东丽以聚丙烯腈为原料,生产的碳纤维,物美价廉。联合碳化物公司发现其技术潜力后,与东丽达成了北美市场独家代理、技术授权的协议。也就是说,你的东西不错,但要是在美国卖,必须要经过我转手。可UCC学会技术后,却想着要在美国市场,彻底取代东丽。就在这个关键时刻,印度的发生的一场大事故,帮了东丽个大忙。1984年12月3日,UCC设在印度中央邦 博帕尔市的农药厂,发生剧毒氰化物气体泄漏事件,周边居民死亡上万,伤残五十余万,是迄今为止人类历史上,最严重的工业事故。尽管,该公司声称,是印度员工心怀报复导致的,不是自己的问题,但市场不会跟它客气,股价崩盘,业务缩水。几乎是一夜之间,挡在东丽与北美市场之间的阻碍不见了。此时,民航客机市场正处在轻量化的风口,需要大量的碳纤维,减轻机身重量,双重机遇都掉到了东丽的碗里,它与波音等公司直接建立业务联系,一举奠定了延续至今的绝对优势地位。

为了争夺碳纤维的霸主地位,盟友之间的私斗战火,也烧到了中国。在西方国家对华的禁运名单上,碳纤维一直位列其中,限制等级可以与核武器、芯片制造技术相提并论。以美、日为代表的主要生产国,甚至还企图抓捕任何购买、贩卖碳纤维的个人,哪怕只是用来生产高品质的钓鱼竿,也不允许。比如说,2017年,日本政府就修订了《外汇法》,明确规定,在未经允许的情况下,将碳纤维技术出售给外国企业,最高将会被处以10亿日元罚款。2013年,一名来自江苏的商人,被美国国土安全局逮捕,怀疑他是中国间谍,理由是购买了T-800碳纤维。这里所说的T-800,通俗来说,是对碳纤维强度的描述,当时国内只能生产T-300,不具备更高品质的T-800生产技术。

在国际碳纤维市场,有个非常有意思的现象,在中国不能生产T-800时,美日等国的产能是非常充足的,而且出售的价格非常低。但只允许我们少量购买,禁止批量进口。导致白菜价的产品,在国内卖出高价。为什么西方国家采取这种奇葩的操作?因为全面封锁中国,会逼得国内倾尽全力研发碳纤维,然后就会冲击国际市场。如果全面开放,那么中国利用性能好的碳纤维,又会在其他领域制作出好产品,超越西方。于是它们最后的做法是,零售可以,批发不行。

在实际应用中,碳纤维成品有大丝束、小丝束两种概念。通俗点形容,将纤维丝“捻”在一起,按照纤维丝的多少,每束大于48000根(48K)的产品,被界定为大丝束。小于这个数值的,被称为小丝束。照理说,前者用的纤维丝多,应该价格更贵,可事实却相反,因为大丝束碳纤维,可以直接使用国内外市场自由流通的民用聚丙烯腈原丝,而小丝束碳纤维,往往需要敏感性极高的特制高性能原丝,不但受到严格的技术封锁,价格上也有数倍的差异。一分价钱一分货,小丝束碳纤维性能通常要好于大丝束产品,在航空航天等“宇航级”高端应用中,目前仍然是主流。不过,目前在民用领域,无论是汽车也好,风电叶片也好,运用的物理环境,都宽松得多,大丝束碳纤维性能已经绰绰有余。所以,在民用市场,它已经逐步在取代小丝束。

中国碳纤维产业界,已经敏锐地把握到了大丝束的潮流。今年1月初,上海石化投资新建的碳纤维项目,正式开工。该项目总投资35亿元,将建设碳纤维原丝、大丝束碳纤维产线,计划2024年全部建设完成。引用新华社的权威评价:“这是国内首家突破,被称为“黑黄金”的48K大丝束碳纤维产业化技术的企业,标志着我国大丝束碳纤维,从研发试产成功走上规模化生产之路”。日本东丽社长日觉昭广,曾经在接受媒体采访时表示:“中国从国家层面推进碳纤维技术,确实对我们公司构成了威胁,但是积累了坚实基础的日本企业,能够保持优势地位”。现在看来,这样的优势地位似乎正在被动摇。

事实上,当前的中国碳纤维技术水平,早已非吴下阿蒙。高端碳纤维材料,不但基本实现了国内自用,还能够在国外市场开疆拓土。2014年乌克兰危机后,西方国家对俄罗斯实施封锁,俄罗斯军用高性能碳纤维出现了明显供应缺口。在公开报道中,俄国的Umatex等公司实现了国产替代,保障了俄罗斯隐形战斗机等高端装备的顺利发展。但在幕后,吉林化纤已经为俄罗斯客户腾出了一条高性能的碳纤维生产线,Umatex公司也频繁的出现在吉林化纤的客户互动新闻中,此中玄机嘛,你懂的。

展望未来,今天看起来地位万无一失的东丽等巨头,似乎又在重蹈面板、光伏等产业的覆辙,在中国企业汹涌的产能、价格竞争中,逐渐放弃低端市场。而中国企业瓜分了低端市场、获得研发资金后,又怎会任凭这些巨头在高端市场坐享利润呢?

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