文章来源于：化学化工学会公众号
昨天的文章写了PEEK，相信很多人能想到今天我要写什么，必定是碳纤维。
航空航天、低空飞行器、人形机器人、新能源等高端领域都离不开这种材料。
一、轻如蝉翼，强胜钢铁，材料之王
碳纤维具有颠覆性的物理特性，它的轻量化、高强度比，已经彻底颠覆了大家对传统材料的基本认知。
物理学上材料的强度与重量比是衡量材料性能的关键指标，密度极低，强度极强。理想状态下，一根铅笔粗细的碳纤维能够吊起三辆中型卡车。
碳纤维的稳定性也是非常强的，具有良好的低温性能，在极低的温度下还能保持稳定的结构和性能。
碳纤维还可以耐受极高温度环境，并且保持其强度和稳定性，不会在高温环境中变形或损坏。
碳纤维的可定制性为设计师天马行空的想象提供了可能。通过调整编织技术和树脂基体，可以精确地控制碳纤维材料的力学性能。
定制化设计可以提高定制设备的性能，降低生产成本。
二、从实验室到产业链的规模化
技术突破与工艺优化
碳纤维技术的核心为原丝质量，最初原丝聚丙烯腈（PAN）主要靠进口，国内各企业通过产学研结合逐渐突破了技术壁垒。
吉林碳谷采用“三元水相悬浮聚合”技术，实现了T300-T1000级原丝的国产化，良品率也逐步提升到了85%以上。
原丝制备工艺有超过2000个工艺参数需要控制，纺丝液聚合、预氧化（400℃稳定处理）、碳化（1000-2000℃高温处理）等，都是强度和质量的关键控制指标。
规模化生产及成本控制
原丝技术突破后，如何实现规模化生产和控制成本又是另一个技术难题。生产企业通过提升大丝束（48K以上）单条产线生产效率，降低了生产成本。
吉林碳谷的50K大丝束碳纤维成本是小丝束的20%，生产效率大大提升。规模化的生产推动了国产碳纤维从军工向风电、汽车等民用领域大面积应用。
山西煤化所首先突破T300碳纤维工业化生产，建成国内首条航空级别碳纤维生产装置，打破日本东丽的技术垄断。
随着上游原材料生产企业解决了丙烯腈聚合到原丝生产的国产自主化（如中复神鹰、光威复材），中游企业也逐渐解决了预浸料、夹层结构等复合材料技术；下游企业依托新能源行业的兴起，需求量大增，为碳纤维的产业化提供了巨大的市场。
风电叶片采用碳纤维后长度可以突破100米，发电效率提升15%，碳纤维企业得到了巨大的市场，风电行业得到了优良材料和超高的效率，整个产业链实现了协同发展。
政策及与市场
碳纤维已经被列为了“战略性新材料”，吉林“中国碳谷”整合上下游相关企业形成了千亿级产业集群，威海产业园覆盖航空航天、海洋装备等场景，2023年营收超270亿元。
当前碳纤维的高端市场，仍旧是被日本东丽、美国赫氏主导，国内企业通过大丝束、低成本路线也有一定的差异化竞争优势。
三、万亿赛道的新挑战
技术突破与应用拓展
碳纤维未来必将向新能源、低空经济、智能装备等新兴领域渗透扩展。
在新能源行业，碳纤维储氢罐如果可以实现规模化应用，可大大的提升氢能储运效率。而风电叶片长度突破100米后，碳纤维轻量化设计可使发电效率提升15%以上。
低空经济领域，各类飞行器使用碳纤维机身，可以减重30%以上，续航时间延长50%，光威复材等企业正探索光伏坩埚、机器人关节等新的应用场景。
还要打破的技术瓶颈
前面也提到，国产碳纤维T1100级纤维良品率还是比较低的，还需要企业进行技术升级和工艺优化，将良品率提升到90%以上。
生产设备严重依赖进口也是限制碳纤维规模化的核心挑战。
高性能纤维生产上，国内氧化炉、碳化炉的稳定性也需要解决。虽然大丝束（50K）碳纤维已经可以量产，但是产品均匀性不足，导致航空航天领域仍依赖日本东丽等进口产品。
成本与环保的双重博弈
碳纤维大规模应用还需突破成本的临界点，这是直接影响下游市场大规模应用的关键点。
当前碳纤维生产成本大约150元/kg，将生产成本降至50%左右，在新能源汽车上的应用才具备经济性。
环保压力同样急需解决，热解回收法能耗为传统工艺的200%，碳纤维生产废水中氰化物含量超标问题也没有完全解决。
未来需通过再生技术（如微波裂解法）降低能耗，并推动丙烯腈原料绿色化生产，可以实现全生命周期的减排。
一审一校：黄杨
二审二校：何玲
三审三校：雷振友
