碳纖維是含碳量高于95％的無機高分子纖維，具有低密度、高強度、耐高溫、高化學穩(wěn)定性、抗疲勞、耐磨擦等優(yōu)異的物理及化學性能，良好的導電導熱、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數(shù)等。以碳纖維作為增強材料的先進復合材料具有高比強度、高比模量、可設計性強、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞和熱膨脹系數(shù)小等一系列的優(yōu)異性能。碳纖維及其復合材料優(yōu)異的性能使其被廣泛應用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備、工程機械、基礎設施建設、海洋工程、石油工程、風力能源、體育用品等領域。

 

       目前全球最大的碳纖維及復合材料供應商主要集中在日本，日本碳纖維產(chǎn)業(yè)水平居全球第一，主要領頭企業(yè)為日本東麗公司、帝人公司和三菱化學。2018年3 月28日，日本東麗公司宣布推出新碳纖維復合材料成型工藝——CFRP （CarbonFiber Reinforced Plastics）新型真空壓力成型工藝，該技術在提高部件尺寸精度的同時，還能降低生產(chǎn)過程中的能耗。2018年11月1 日，日本東麗公司宣布開發(fā)出新型的TORAYCAMX 系列碳纖維，同時具有高拉伸強度和拉伸模量。美國是繼日本之后掌握碳纖維生產(chǎn)技術的少數(shù)幾個發(fā)達國家之一，是碳纖維及復合材料的應用大國。

 

       目前我國高性能碳纖維材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，針對市場主要為航空航天領域，同時著力瞄準新能源市場，包括風力發(fā)電、壓力容器（儲氫罐），以及潛在的新型汽車輕量化材料市場。但我國的碳纖維材料產(chǎn)品大多仍處在試運行、少量裝機等階段，與下游產(chǎn)業(yè)的合作仍需加強。應用端開發(fā)不充分也導致了大量碳纖維生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)能虛高，企業(yè)運營壓力較大。2018年，我國各大碳纖維企業(yè)陸續(xù)在碳纖維及復合材料相關技術和產(chǎn)能方面取得突破。2018年9月，中國新一代全碳纖維復合材料地鐵車體全球發(fā)布，采用碳纖維增強復合材料技術，與鋼、鋁合金等傳統(tǒng)金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機室、設備艙分別減重 30％以上，轉向架構架減重40％，整車減重13％；2018年8月17日，吉林化纖自主研發(fā)的48K大絲束碳纖維原絲順利通過碳化并持續(xù)批量生產(chǎn)。碳化效果遠超預期，各項指標均超過了日本東麗T300水平，是繼24K碳纖維成功市場化后的又一碳纖維新產(chǎn)品。

 

       碳纖維領域研發(fā)成果不斷涌現(xiàn)，大部分突破性成果來自日本和美國。最新前沿技術不僅聚焦于碳纖維生產(chǎn)制備技術，也投射于汽車材料輕量化、3D打印、發(fā)電材料等更廣泛領域的應用。另外，碳纖維材料的回收循環(huán)利用、木質(zhì)素基碳纖維制備等方面也取得一系列成果。日本非常重視碳纖維技術的發(fā)展，企業(yè)、政府、高校積極合作推進碳纖維技術研發(fā)。2013年，日本在“未來開拓研究計劃”框架之下，推進“革新性新結構材料等技術開發(fā)”；日本早稻田大學的細井厚志副教授等人研發(fā)出碳纖維塑料（CFRP）與鋁輕質(zhì)材料連接的新技術。在鋁表面制造針狀微小突起，加熱溶解后的 CFRP 容易進入微小的突起間隔。它有助于減輕汽車和電子設備的重量，預計3年后實現(xiàn)商業(yè)化。美國也持續(xù)開啟了多次碳纖維研究項目。國防預研局（DARPA）在 2006 年啟動先進結構纖維項目；2019年1 月，美國佐治亞理工學院的 Satich Kumar 團隊采用聚丙烯腈（PAN）纖維為原料，成功制備了質(zhì)量分數(shù)超過 40％的納米微晶纖維素（CNC）碳纖維。PAN/CNC基碳纖維的拉伸強度在 1.8GPa~2.3GPa 范圍內(nèi)，拉伸模量在 220GPa~265GPa 范圍內(nèi)。

 

       通過國家973項目的支持，我國目前在科學與技術基礎領域已經(jīng)取得了相應的突破，就關鍵技術而言，主要包括低缺陷均質(zhì)原絲的制備技術、預氧化環(huán)結構調(diào)控技術、碳化過程微晶生長控制技術、各單元匹配協(xié)同技術，以及裝備制造技術、產(chǎn)業(yè)化集成技術等。2019年1月22 日，中國科學院山西煤炭化學研究所研究員張壽春團隊圍繞T1000級超高強碳纖維制備，承擔了中國科學院重點部署項目，已通過中科院組織的專家驗收。

 

       國際高性能纖維及復合材料市場正在迎來空前的發(fā)展期，我國已在關鍵技術、裝備、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)以及下游應用領域取得了重大進展，未來我國會繼續(xù)通過高性能纖維及復合材料等關鍵材料和技術的自主研發(fā)、產(chǎn)業(yè)上的聯(lián)動突破，逐步實現(xiàn)從根本上擺脫高性能纖維受到的限制，實現(xiàn)進口替代，形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。

 

       針對我國高性能纖維及復合材料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會天津研究院提出具體建議，建議內(nèi)容詳見《中國新材料技術發(fā)展藍皮書》原文