在強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保的時代，輕量化是一個重要的主題，碳纖維的出現(xiàn)無疑給制造的可持續(xù)發(fā)展帶來了希望。本文從原材料、工藝路線、制造設(shè)備和內(nèi)外部環(huán)境來看我們國內(nèi)做碳纖維的不足在什么地方。

基本概念：什么是炭化和石墨化？

【炭化】就是有機(jī)纖維在高溫下裂解，逸出氫、氧、氮等小分子，最后留下碳元素的這么一個過程。這是一個碳元素占比增加的過程，有文獻(xiàn)把碳元素占比增加到92%后才稱為碳纖維。

【石墨化】就是碳材料內(nèi)部碳原子在高溫下進(jìn)行重新排列，慢慢趨向于完美六元網(wǎng)格的一個過程。在碳纖維內(nèi)部就是原先比較雜亂的碳原子排列次序慢慢趨向于規(guī)整排列的亂層石墨結(jié)構(gòu)的過程。

把碳纖維加熱到1500℃，如果這個過程是一個碳元素聚集的過程，它就叫炭化；如果在這個溫度下碳元素不再聚集保持在固定占比比例，而是碳原子排列趨向于規(guī)整六元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，那么它就是石墨化過程。所以炭化和石墨化沒有明顯的溫度界限，哪一種趨勢更明顯就稱為哪一種過程。不同的原材料在不同溫度下的趨勢是不一樣的，炭化和石墨化都是一個過程，不是最終結(jié)果，不要以溫度來區(qū)分炭化和石墨化。

關(guān)于強(qiáng)度和模量

將材料損壞所使用的最大力就是【強(qiáng)度】。如果是拉伸損壞就是拉伸強(qiáng)度，如果是彎曲損壞就是彎曲強(qiáng)度也叫抗折強(qiáng)度，如果是壓壞就是壓縮強(qiáng)度。【模量】就是將材料施加外力使其變形一定尺寸所用的力。將材料拉長一定尺寸所用的力就是拉伸模量，同樣還有彎曲模量和壓縮模量。

什么是好纖維

要想知道為什么搞不好碳纖維先得知道什么是好的碳纖維。

首先一根纖維應(yīng)該是均勻直徑，均勻物相，每一段纖維都與整根纖維一樣，強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)。在一根纖維上不同地方截取一段纖維，如果它們的強(qiáng)度比較均勻則是好纖維。其次同一束纖維有n多根纖維，這些纖維的強(qiáng)度比較均勻則是好纖維。最后，所有纖維所有部分強(qiáng)度、模量和尺寸等性能均比較均勻達(dá)到標(biāo)稱標(biāo)準(zhǔn)就是好纖維。

我標(biāo)稱3500MPa強(qiáng)度的碳纖維，每一根纖維和纖維每一段都符合要求，均勻分布在2000MPa，這也不叫好纖維。所以好纖維就是又均勻又標(biāo)準(zhǔn)。日本碳纖維做的比我們好就是因為它們的碳纖維更接近這一標(biāo)準(zhǔn)。我們中國的碳纖維差就差在均勻性上了，標(biāo)稱T700的碳纖維有的纖維比T1000還高，有的還不如 T300。

中國為什么做不好碳纖維？

到底什么因素影響了碳纖維的均勻性，需要我們從原材料開始審視整個工藝路線。

第一，原材料

纖維狀碳材料需要利用含有碳原子鏈的高分子進(jìn)行炭化來得到。經(jīng)常用來炭化的高分子有三種：纖維素（Rayon）、聚丙烯腈（PAN）、瀝青（pitch），今天講的是聚丙烯腈。如果原絲不均勻，里面含有很多雜質(zhì)或者缺陷，這些缺陷就會傳給碳纖維，所以要想造出好的碳纖維必須有好的原絲。

原絲是怎么來的呢？是用聚丙烯腈進(jìn)行紡絲做出來的。聚丙烯腈是粉末，首先將聚丙烯腈溶于一種溶劑，出于保密的考慮，我不會告訴你這種溶劑叫二甲基亞砜。聚丙烯腈可以溶于這種溶劑，但是不能溶于水，但這種溶劑可以和水無限互溶。我們將聚丙烯腈與這種溶劑混合物通過類似淋浴似的噴絲頭噴出來，噴到這種溶劑的水溶液里，因為聚丙烯腈不溶于水，遇到水會凝固成一根根的聚丙烯腈原絲，這時候的原絲非常粗，同時原絲里面的溶劑要擴(kuò)散出來，我們會通過n級溶液進(jìn)行擴(kuò)散。這里的溶液濃度是逐級降低的，有利于溶劑向外擴(kuò)散。等擴(kuò)散完之后，原絲就會進(jìn)入水洗階段，這個時候在往前走的時候給它施加牽引力，原絲就會在牽引力的作用下慢慢變細(xì)，最終通過致密化，然后收絲。為了防止纖維和纖維之間粘連，中間還需要弄上上漿劑。這就是整個原絲的生產(chǎn)流程，如果用的聚丙烯腈原材料不好或者不均勻，那么紡絲過程原絲必然會有很大缺陷。

都知道聚丙烯腈是丙烯腈聚合起來的，這種丙烯腈聚合的時候還需要添加一些催化劑，把這些原料都倒入水中，讓它們在水中聚合，聚合出來的聚丙烯腈不溶于水，于是產(chǎn)生沉淀。將水過濾掉就得到聚丙烯腈。同時這個聚合過程是一種放熱過程，所以必須慢慢調(diào)節(jié)原材料進(jìn)入水的速度，讓這個過程極可能緩和，同時還需要冷卻，防止過熱。這個過程很難控制，水中有各種聚合單體，還有產(chǎn)生的沉淀物，很可能會發(fā)生某一種原材料在反應(yīng)容器中分布不均勻，造成聚丙烯腈不能達(dá)到所要求的標(biāo)準(zhǔn)。這就是原材料的影響因素，它們的反應(yīng)機(jī)理還需要更系統(tǒng)的進(jìn)行研究。

第二，制備工藝

從聚合時候的溫度、流量、攪拌速度到紡絲時候各級凝固浴、水浴的溫度、速度，還有預(yù)氧化、炭化等過程，碳纖維制備過程中的這些工藝參數(shù)怎么組合才能得到最好的碳纖維，是一個問題。

國內(nèi)基本上都是差不多主義，沒有誰真正塌下心來去研究這些參數(shù)的每一項，一個參數(shù)造成的缺陷不算多，可能很多參數(shù)沒有優(yōu)化，最后的碳纖維就差了十萬八千里了。還有就是我們?nèi)绻獌?yōu)化這許多的參數(shù)，需要一個龐大的試驗計劃，有誰能有資金支持這些實驗?zāi)亍榱吮M早做出產(chǎn)品，都在不斷妥協(xié)妥協(xié)，結(jié)果卻造不出好產(chǎn)品。所以制備工藝上，我們還需要有很多路要走，別看我們能做出號稱T300水平、T700水平碳纖維，只是不是太均勻。要是能做產(chǎn)品性能均勻了，付出的努力將n倍于造出差不多的產(chǎn)品。所以國內(nèi)很多企業(yè)用便宜的價格賣差不多的產(chǎn)品也是無奈，因為日本均勻性好的碳纖維價格不會高太多，為了這不太多的差價去付出幾十倍的努力提高均勻性，企業(yè)會做這種事嗎？

第三，制造裝備

工藝參數(shù)的調(diào)試需要制造設(shè)備來實現(xiàn)。想一想如果我們想試驗不同牽伸率對碳纖維性能的影響，將工藝參數(shù)輸入在控制器上，而牽伸輥卻速度不穩(wěn)定，還振動，那我們還能做得好嗎？別以為這個問題好解決，一個牽引機(jī)上好幾個輥，速度都要調(diào)節(jié)好，關(guān)鍵是微振動，幾乎測不到的震動都會影響產(chǎn)品性能。干噴濕紡工藝，噴絲頭與液面的距離是非常嚴(yán)格的，液面波動將會影響凝固效果。

高溫碳化爐溫度均勻性怎么解決？怎么讓纖維進(jìn)入爐子的時候不被帶入微量的氧氣？預(yù)氧化爐溫度梯度如何實現(xiàn)？熱風(fēng)如何循環(huán)才能最節(jié)能同時還能帶走釋放的熱量？氧氣量如何控制……這些都是非常細(xì)微的東西，卻對設(shè)備提出極高的要求。不可否認(rèn)我們國內(nèi)設(shè)備這些年發(fā)展非常迅速，可是看看我們的領(lǐng)導(dǎo)人出訪美國，要求放寬對中國高端設(shè)備出口，就知道我們有多么的底氣不足了。

第四，內(nèi)外部環(huán)境

有人可能知道日本碳纖維早期的價格吧，現(xiàn)在的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原先價格。什么時候降下來的呢？就是在我們宣布能產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)T300水平碳纖維那幾年。什么原因？是日本想跟我們競爭嗎？不可能，日本人知道我們發(fā)展水平，它即使不降價我們也競爭不過他，我們無非能分走一些低端訂單，根本無法動搖日本的壟斷地位。日本最主要的目的是打擊投資者。

投資者看準(zhǔn)碳纖維發(fā)展前景和利潤才決定投錢研究碳纖維的。如果碳纖維還是高利潤，投資者必然會樂意投錢去做一些基礎(chǔ)性研究，將眼光放長遠(yuǎn)些。但是看看現(xiàn)在做碳纖維的苦日子，還不如做制品的過得好呢，誰還會繼續(xù)投資啊，更別說長遠(yuǎn)眼光了。所以國家也很著急，也在大力扶持企業(yè)，原先很多企業(yè)為了國家扶持而上馬項目，從國家拿到不少錢，結(jié)果還是不行。

前年工信部發(fā)布《促進(jìn)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，明確表示重點扶持2-3家企業(yè)，這個思路是對了，但是對于基礎(chǔ)性的研究，國家還得拿出更多的資金牽頭去做。還有，我們國家碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈還不太完整，有一些本末倒置。整個行業(yè)健康的發(fā)展應(yīng)該是下游拉動上游，而我國下游創(chuàng)新不足，大家都在模仿，賣產(chǎn)品，而缺乏定制化的解決方案的能力。

未來國產(chǎn)碳纖維能發(fā)展到什么程度，需要每一個碳纖維人的努力，我們在做是因為我們相信明天會更好。