太空電梯不是夢！看中國如何搞定“黑黃金”技術(shù)

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導(dǎo)語：《流浪地球2》為中國的科幻電影豎起了又一座里程碑，影片中的太空電梯畫面極度震撼。太空電梯的纜繩要承受地心引力和離心力的雙重拉扯，且需要經(jīng)受住大氣層內(nèi)外向它襲來的任何物體的撞擊。因此，又強又輕的材料成為首選，碳纖維的出現(xiàn)，有潛力將中國科幻作品中的想象變成現(xiàn)實……

科幻電影中的太空電梯

去年8月，國內(nèi)首套大絲束碳纖維生產(chǎn)線的設(shè)備安裝宣布全面完成，邁出碳纖維產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵一步。據(jù)悉，這是全球第四家掌握大絲束碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的企業(yè)（前三家為日本、美國、德國），并且此條產(chǎn)線的設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了全部國產(chǎn)化，標(biāo)志著我國已經(jīng)掌握了“黑黃金”的生產(chǎn)工藝流程。

一、碳纖維有何“逆天”之處

縱觀人類的每次科技革命，其本質(zhì)都是能源新利用方式疊加材料應(yīng)用上的突破，正是由于新材料的規(guī)模化使用，才能使得某些過去不可能的理論設(shè)計成為現(xiàn)實，最終改變千家萬戶的生活。

碳纖維被稱為“新材料之王”，人類對于碳纖維的研究使用，極有可能成為下一次科技革命的突破口之一。

大量碳絲編織而成的碳纖維

碳有一個很特殊的性質(zhì)，即碳原子可以互相鍵結(jié)形成長鏈，此性質(zhì)被稱為“成鍵”。有了這個性質(zhì)，碳原子就能連接形成不同的分子，產(chǎn)生了有機化學(xué)這門學(xué)科，而碳纖維是這個特殊性質(zhì)的直接產(chǎn)物。

人們常說的“碳纖維”，實際上是“碳纖維增強復(fù)合材料”的簡稱，以此次中國試制成功的大絲束碳纖維為例，這是一種含碳量95%以上的高強度新型纖維材料。碳纖維的本質(zhì)是很多股碳鏈條編織的麻繩，而每根鏈條都依靠碳－碳鍵直接連接：兩個碳原子經(jīng)sp2雜化形成的碳碳雙鍵（C=C）是自然界最強的價鍵之一（607KJ/mol），強度極其高。在密度不到鋼鐵四分之一的前提下，強度卻是鋼鐵的7-9倍（不同工藝和原材料碳化過后產(chǎn)生的碳－碳鍵長度不同），碳纖維材料的最大優(yōu)勢足以顯現(xiàn)。相比于金屬材料的另一個優(yōu)勢是其化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，還具備耐腐蝕的特性。

中大量使用碳纖維的飛機機身

因此，碳纖維在機械制造領(lǐng)域擁有巨大優(yōu)勢。實際應(yīng)用中，碳－碳鏈條發(fā)揮最基本的強度優(yōu)勢，起到框架作用，配合不同特性的樹脂構(gòu)成滿足不同功能的復(fù)合材料。在誕生之初，碳纖維復(fù)合材料就用于航空航天方面的制造工作，而后才逐漸擴展到更廣泛的領(lǐng)域。

二、碳纖維為什么被稱為“黑黃金”

碳纖維是質(zhì)輕身強的“新材料之王”，可以在不犧牲機械性能的前提下減輕重量，但目前真正大規(guī)模的使用領(lǐng)域僅有航空航天、賽車/高價值跑車和高鐵的車頭罩等耐久性產(chǎn)品，這與它在制造終端的高昂價格有直接關(guān)系。

僅有不惜工本且要被多次復(fù)用的特殊領(lǐng)域才能大量使用碳纖維材料，因為在這些產(chǎn)品中，材料的機械性能和輕量化比成本更重要。

中大量使用碳纖維的F1賽車制造

事實上碳纖維在成型前的原材料價格成本并不十分昂貴，通常使用聚丙烯腈纖維進行高溫碳化形成。碳纖維的最終成型體價格昂貴都是因為加工工藝較復(fù)雜所導(dǎo)致的。

在碳纖維的制作中，工藝精度要求極高，目前工業(yè)界也存在著諸多制約產(chǎn)能的因素，主要是以下三個環(huán)節(jié)。

1.形成碳絲

這是碳纖維生產(chǎn)過程的第一步，碳絲的制備通常使用有機纖維碳化法，先在200-300度中加熱足夠長的時間，纖維內(nèi)部實現(xiàn)穩(wěn)定的化學(xué)鍵；其次在400-1900度的惰性環(huán)境中加熱足夠長的時間，釋放非碳元素，純化形成碳絲；最后石墨化，在惰性環(huán)境下繼續(xù)加溫到2500—3000攝氏度，不斷加壓，讓碳形成石墨晶體，加強碳絲的力學(xué)性能。形成碳絲全程需要長時間的惰性環(huán)境、高溫高壓，極其費時費力。

2.進行編織

碳纖維的物理性質(zhì)決定了，沿著碳絲本身的橫向強度較高，但縱向上則很容易被折斷。因此在下一步中，需要把很多碳絲編織成絲束提升強度，絲束再通過編織形成了軟性的碳纖維布，以此來提升不同方向的力學(xué)性能，這個部分的工藝難度也較高，需要專門的機器進行編織。

3.模塑成型

獲得大面積的碳纖維布后，產(chǎn)品進入了真正的最終成型環(huán)節(jié)（這一步通常在主機廠內(nèi)進行）。碳纖維布被裝入真空袋中，使其和模具貼合更加緊密，并以精確用量的樹脂浸漬作為成型液，之后再進行高溫烘烤使其模塑成型，得到碳纖維成品。這個制作過程沒有絕對的技術(shù)難點，但基本都需要手工操作，而且手工技術(shù)的好壞也直接影響了成品品質(zhì)，因此這一環(huán)節(jié)的人工成本極其昂貴、制作效率也比較低。

手工制作的碳纖維跑車車架

三、“黑黃金”的“白菜化”潛力無窮

人類對于碳纖維材料的應(yīng)用時間并不短，但是距離碳纖維材料被“充分運用”（即任何在性能上需要使用該材料的領(lǐng)域都能用上）還有不小的差距。其中既有技術(shù)原因，也有政治和經(jīng)濟原因，碳纖維高性能和低成本兩條路徑的技術(shù)一直被先發(fā)國家嚴(yán)密封鎖。

碳纖維在中國也曾處于“卡脖子”的境況，碳絲和碳纖維布通常以高昂的價格限量進口。

去年國內(nèi)首次突破的大絲束（每束碳絲數(shù)量大于4.8萬根）碳纖維屬于低成本方向的技術(shù)，有利于快速擴展碳纖維的使用領(lǐng)域，持續(xù)優(yōu)化我國工業(yè)的產(chǎn)能效率，在打破外企定價權(quán)和定量權(quán)之后，隨著可用材料強度的提升，眾多原本不可能的設(shè)計成為可能。

過去受制于成本的風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，可以制造得更輕更大。在基建領(lǐng)域，高強度碳纖維的使用有助于建筑及橋梁結(jié)構(gòu)的減重和補強。進一步“白菜化”的碳纖維將不再成為跑車和賽車的專利，可以用于百萬元以下汽車結(jié)構(gòu)件的制造，輕量化的車身能極大地節(jié)能減排，賦能我國汽車產(chǎn)業(yè)的出口。在多個經(jīng)濟民生的重要領(lǐng)域，碳纖維即將發(fā)揮著帶來質(zhì)變的關(guān)鍵作用。

S102風(fēng)電葉片運用碳纖維主梁，長度超過100米

碳纖維車身制造

結(jié)語：

依靠自研打破封鎖后，該技術(shù)在國內(nèi)已得到了推廣，這將有力降低碳纖維在國內(nèi)的生產(chǎn)成本，改善我國大絲束碳纖維全部依賴進口、長期供不應(yīng)求的局面。中國碳纖維將助力中國制造走向世界，化不可能為可能。

碳纖維已被用于大橋的斜拉結(jié)構(gòu)