突破碳纖維“卡脖子”,就差臨門一腳了。

文丨華商韜略 周瑞華

“苦海有邊,回頭無岸�！�

2003年12月,在聽完“十五”碳纖維關(guān)鍵技術(shù)專項專家組組長徐堅的匯報后,師昌緒這樣鼓勵他。

這八個字,也道盡了中國碳纖維在突破美日封鎖之路上的艱辛。

【封鎖!封鎖!】

2015年,日本兵庫縣蘆屋市聚乙烯化學(xué)有限公司75歲的董事長近藤正二,因四年前的一筆交易被捕。

2011年,他申請向韓國出售一批碳纖維,但船舶運輸貨單卻顯示,這批貨被送到了中國張家港市。

日本警方認定,近藤正二的行為違反了日本《外匯及對外貿(mào)易法》。

碳纖維是一種含碳量95%以上的新型纖維材料,一根碳纖維只有頭發(fā)絲十分之一那么粗,強度卻是鋼的9倍,而重量還不到鋼的四分之一,耐高溫、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小,用途十分廣泛。在體育用品、風(fēng)電設(shè)備、汽車,以及國防、軍工領(lǐng)域,都能見到碳纖維的身影。

如我國最近成功發(fā)射的神州13號載人飛船上,使用的大尺寸、多開口推進分系統(tǒng)主承力薄壁加筋截錐,其材料就是碳纖維。

正是由于碳纖維是軍工、國防領(lǐng)域不可或缺的材料,二戰(zhàn)成立后的巴黎統(tǒng)籌委員會,將其當做戰(zhàn)略物資,列入對華禁運名單。

在冷戰(zhàn)時期,日本更是將碳纖維列為最機密的五大技術(shù)之一。碳纖維出口到中國,每筆業(yè)務(wù),要求進口企業(yè)先辦理最終用戶承諾書,并拿到我國商務(wù)部等有關(guān)部門的蓋章、背書,然后日本企業(yè)以此承諾書申請許可證,拿到許可證才能正常報關(guān)。而且,能出口中國的,大多為低端民用級別。

而中國,偏偏又是碳纖維消耗大國。

2013年-2015年,中國的碳纖維消耗量為1．51萬噸、1．47萬噸、1．69萬噸,約占全球碳纖維消耗量的30%、27．6%和22．72%。

而全球碳纖維市場,過去基本上是美日企業(yè)的天下。僅日本東麗,三菱和東邦,其碳纖維產(chǎn)能就占全球的50%。

▲2015年全球碳纖維理論產(chǎn)能,前五家公司分別為日本東麗、德國西格里、東邦、三菱和中國臺灣的臺塑 來源:《2015年全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》

因此,在過去很長一段時間里,碳纖維,和芯片一樣,卡住了中國的脖子。

更令人痛心的是,在碳纖維這條賽道上,中國曾經(jīng)和日本、美國站在同一起跑線上。

結(jié)果,美日壟斷了碳纖維,而中國,卻掉隊了。

【起大早,趕晚集】

中國碳纖維發(fā)展歷程,是“起了個大早,趕了個晚集”。

碳纖維1879年就被愛迪生發(fā)明出來,但受制于當時的技術(shù)水平,達不到使用標準,碳纖維的研究就此被擱置。

直到20世紀50年代,航天航空、火箭等尖端技術(shù)的發(fā)展,迫切需要一種耐高溫、比強度高的新型材料。

▲碳纖維應(yīng)用場景 來源:工信部《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,中簡科技招股說明書,中金公司研究部

美國率先重啟了碳纖維的研發(fā),在1950年代以黏膠基為原材料,研發(fā)出黏膠基碳纖維。但這種碳纖維的碳化率只有20%,無法大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

不過,這個消息啟發(fā)了亞洲的碳纖維研究。

1960年代初,幾乎同一時間,日本和中國都開啟了碳纖維的研發(fā)。

大阪工業(yè)研究所的近藤昭男,研發(fā)出了以聚丙烯腈(PAN)為前驅(qū)體的PAN基碳纖維,碳化率在50%-60%,性能也優(yōu)于黏膠基纖維,可廣泛應(yīng)用于軍工、航天飛機部件、體育用品和鋰電池等眾多領(lǐng)域。

1960年代初,利用近藤昭男的專利,日本碳素公司、東海電極公司陸續(xù)開始研究PAN基碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路,日本東麗公司也建立了碳纖維研究和制造設(shè)施,尋找PAN基碳纖維的前驅(qū)體纖維。

與日本同一時間,中科院長春應(yīng)化所李人元設(shè)立了聚丙烯腈基碳纖維課題,展開基礎(chǔ)研究工作。

到1970年,日本東麗在基礎(chǔ)聚合物和設(shè)備制備工藝上,獲得了雙重突破。也是在這一年,它做出了一個技術(shù)組合戰(zhàn)略:一是拿下近藤昭男的專利授權(quán),改進工藝;二是與還沒有取得突破的日本碳素公司和東海公司合作,買下兩家公司十年探索的研發(fā)成果;最后,東麗還與UCC(美國聯(lián)合碳化物公司)簽訂交叉授權(quán)協(xié)議,用自己在高性能原材料上的研究成果換UCC的碳化技術(shù)。

東麗集合了當時全球碳纖維最先進技術(shù),第二年就生產(chǎn)出Toraca T300碳纖維,并實現(xiàn)量產(chǎn),碳纖維商業(yè)化的大門向東麗打開。

隨后,東麗在體育用品和民用航空領(lǐng)域打開了市場。到1975年,其碳纖維不僅用于生產(chǎn)高爾夫球桿、釣魚竿,還成功地應(yīng)用在波音737飛機上,自此東麗與波音開始了長期合作。

日、美企業(yè)技術(shù)互通有無,在碳纖維上實現(xiàn)突破的同時,各大公司對中國保持一致態(tài)度:不轉(zhuǎn)讓技術(shù)、不出售設(shè)備。這導(dǎo)致中國在碳纖維的研發(fā)上裹足不前。

1970年代,中科院化學(xué)研究所、化工部吉林化工研究院、中科院山西燃化所等科研單位都加入到碳纖維的研究中,并實現(xiàn)了一定的突破,但產(chǎn)品不光性能差,產(chǎn)量也很小。

1974年底,東麗公司碳纖維生產(chǎn)線的產(chǎn)能已經(jīng)達到13噸/月,而我國1975年全年碳纖維產(chǎn)量僅50公斤,遠遠無法滿足國防和國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。

我國新型戰(zhàn)斗機1964年就設(shè)計完成,但碳纖維發(fā)動機渦輪葉片,卻遲遲無法實現(xiàn)。

這年11月,時任國防科工委主任的張愛萍將軍召集多個部門,在北京召開第一次全國碳纖維會議(史稱“7511會議”),首次把碳纖維的研發(fā)提升到國家層面。

也是從這以后,我國碳纖維的研發(fā)從過去各部門分散無序的狀態(tài),轉(zhuǎn)入有計劃、有目標的研究發(fā)展。

但中國的碳纖維研發(fā)并沒有就此走上快車道。

一方面是由于國外的技術(shù)封鎖,另一方面,國內(nèi)各部門研究沒有形成主流技術(shù)路線,研究力量分散,沒能形成合力辦大事。

當時我國最好的產(chǎn)品,性能也只能達到東麗公司T200級水平,而且質(zhì)量不穩(wěn)定,無法用作航空航天結(jié)構(gòu)材料,國防事業(yè)被卡脖子。

上世紀80年代,我國第二代戰(zhàn)略導(dǎo)彈東風(fēng)-31洲際導(dǎo)彈,就因為我國搞不出航天級高純黏膠基碳纖維,無法承受高空高速飛行和重返大氣層時驟然升高的氣溫,導(dǎo)致首飛失敗。

不僅國防被卡脖子,即便是普通民用產(chǎn)品,也要看日美碳纖維企業(yè)的臉色。

當時,山東威海生產(chǎn)碳纖維釣魚竿的威海光威集團,碳纖維靠進口,上游碳纖維生產(chǎn)企業(yè)很傲慢,對它是“通知性漲價,賞賜性供給”,過得很憋屈。

這種“憋屈”,北京中科院化學(xué)所原副所長吳仁杰還有更形象的說法:

“我們就像一個醒來的人,打哈欠,伸懶腰,總也起不來床。”

【突破壟斷】

2000年春節(jié),國家戰(zhàn)略科學(xué)家?guī)煵�緒找到國家自然科學(xué)基金委材料科學(xué)部原常務(wù)副主任李克健,提出“抓一下碳纖維”。

師昌緒是中國材料學(xué)之父,我國高溫合金材料研究的奠基人。但一提到“碳纖維”,李克健還是直搖頭,“這事太復(fù)雜!誰抓誰麻煩�！�

他的擔(dān)心不無道理。

當時距離1962年李人元開始碳纖維課題研究,已經(jīng)過去近40年,距離7511會議,也已經(jīng)25年。

但這么多年下來,我國僅有少量碳纖維作為燒蝕材料供貨,國防軍工所需的高性能碳纖維,基本全部靠進口。

但2000年前后的國際形勢嚴峻,1964年新型戰(zhàn)斗機被卡脖子的情形還歷歷在目,80歲的師昌緒憂心忡忡:

“如果碳纖維搞不上去,拖了國防的后腿,我死不瞑目�！�

在他的推動下,2002年,科技部國家863計劃,設(shè)立碳纖維關(guān)鍵技術(shù)304專項,撥款1億元,成立專家組,展開集約攻關(guān)。

這意味著,40年后,我國再一次向碳纖維發(fā)起沖刺,開啟了沖出國際壟斷的逆襲之旅。

在總結(jié)了過去40年碳纖維研究失敗的經(jīng)驗教訓(xùn)后,304專家組制定了“十五”碳纖維研究的戰(zhàn)略目標和運行機制:

改變過去各家院所分頭搞研究,明確將PAN原絲作為攻關(guān)方向;

打破各院所、組織的“門戶之見”,形成專利、技術(shù)、信息和戰(zhàn)略調(diào)研的共享機制;

建立獨立的考評機制,并搭建各組織、院所公用的表征測試平臺。

這套運行機制,把各研究機構(gòu)擰成一股繩,勁兒往一處使,目標一致,攻克碳纖維。

碳纖維是多學(xué)科交叉、多技術(shù)集成的技術(shù),過去,我國部委分割過細,碳纖維研究的各個環(huán)節(jié)、技術(shù)由各部委分管,這也拖累了碳纖維研究。

師昌緒吸取了此前的教訓(xùn),定下一條規(guī)矩:誰拿專項的錢,誰就歸我們管。

在當時嚴峻的國際形式下,為了盡快研發(fā)出碳纖維,軍用新材料專家趙稼祥為組長的評估專家組,每三個月就去科研單位現(xiàn)場取樣,送到第三方單位統(tǒng)一測試。

2003年11月,PAN碳纖維獨立考評數(shù)據(jù)第一次第三方盲測結(jié)果出爐:6家國內(nèi)優(yōu)勢單位,無論是碳纖維的強度、模量還是伸長率,沒有一家達到東麗公司最低檔T300的標準。

這個結(jié)果讓當時的304專家組組長徐堅心情沉重,在向師昌緒匯報工作時,他用“苦海無邊,回頭是岸”結(jié)尾。

師昌緒回贈了他八個字——苦海有邊,回頭無岸,鼓勵他不要輕言放棄。

東邊不亮西邊亮,就在徐堅心灰意冷的時候,當年那家生產(chǎn)釣魚竿的公司——威海光威集團,傳來一個好消息:公司已經(jīng)生產(chǎn)出碳纖維原絲,要求加入304項目組。

高校院所、國有企業(yè)幾十年都搞不出來,一家民營企業(yè)能行?

專家組將信將疑地到現(xiàn)場取樣考察,結(jié)果顯示:光威集團生產(chǎn)的碳纖維與東麗T300級指標最為接近。

1998年,光威集團創(chuàng)始人陳光威提出“跳出院墻、圍著院墻轉(zhuǎn)”的戰(zhàn)略,把業(yè)務(wù)往釣魚竿產(chǎn)業(yè)鏈上游延伸,引進國內(nèi)首條寬幅碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)線。

▲陳光威

碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn)線投產(chǎn)后,大獲成功,但主要原材料碳纖維,依然依賴進口。2002年,得知科技部已經(jīng)立項研發(fā)碳纖維,陳光威決定“為國家干點事”。

他不顧碳纖維專家的勸阻,投入到碳纖維研發(fā)中。沒有國家科研經(jīng)費,他不惜抵押了自己的房子,還搭上光威十幾年來在釣具和預(yù)浸料業(yè)務(wù)上的全部積累,帶著技術(shù)骨干沒日沒夜地改進生產(chǎn)工藝,終于生產(chǎn)出中國人自己的碳纖維。

光威集團的成功,讓304專家組調(diào)整了支持方向,把民營企業(yè)也納入項目,與國企公平PK。

效果很快顯現(xiàn)出來:

2005年,光威T300級碳纖維通過了“863”計劃驗收,百噸級T300生產(chǎn)線投產(chǎn)。

這意味著,我國國防建設(shè)所需關(guān)鍵材料CCF-1級(相當于東麗T300)碳纖維,可以自給自足了。

卡了30多年的脖子,終于撬開了一道喘息的縫。

【臨門一腳】

自2005年以來,中復(fù)神鷹、吉林碳谷、江蘇恒神…一批抱著“纖維救國”理想的企業(yè)涌現(xiàn),并取得了一系列成果:

2012年,中復(fù)神鷹張國良團隊,攻克了干噴濕紡T700碳纖維工藝。

這一技術(shù)的突破可使紡絲速度達到400米/分鐘,是傳統(tǒng)濕法紡絲速度的5倍,此前只有日本個別企業(yè)掌握。

2018年,上海石化突破從12K(K即千)小絲束到48K大絲束碳纖維的技術(shù)瓶頸。

在相同的生產(chǎn)條件下,48K大絲束可大幅提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能,降低生產(chǎn)成本,為產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。

2019年初,中科院山西煤炭化學(xué)研究所,在干噴濕紡制備T-1000級超強碳纖維核心技術(shù)上,實現(xiàn)重大突破

到2019年,我國碳纖維理論產(chǎn)能,以2．685萬噸,排在美國(3．73萬噸)和日本(2．91萬噸)之后……

今年9月28日,被譽為“粵港澳大灣區(qū)”最快地鐵的廣州地鐵18號線,首段正式開通運營,在該路段運營的“灣區(qū)藍”,是我國首列車頭頭罩采用輕質(zhì)高強度碳纖維復(fù)合材料的高速地鐵列車。

它使用的碳纖維復(fù)材,是由上海石化自主研發(fā)生產(chǎn)的。

20天前,中復(fù)神鷹母公司中國建材集團第一條年產(chǎn)萬噸的碳纖維生產(chǎn)線,在青海西寧正式投產(chǎn),首批碳纖維產(chǎn)品,已達到國內(nèi)T700及T800級水平。

雖然最早研發(fā)碳纖維,是為國防軍事所用,但碳纖維的競賽,不限于軍事領(lǐng)域。對于中國這樣一個制造大國而言,碳纖維還將撬動產(chǎn)業(yè)升級。

就拿民用大型客機來說,我國大飛機與波音、空客的競爭,其實就是一場新材料之爭。

有數(shù)據(jù)顯示,民航飛機每減輕一公斤,每年可節(jié)省6萬美元的燃油費。

目前,空客A350和波音787,采用的碳纖維復(fù)合材料比例已經(jīng)達到50%以上,中國商飛新研制的C919機型,才剛達到30%左右。

而碳纖維還有更廣泛的使用領(lǐng)域,從高檔數(shù)控機床、機器人、航空航天裝備,到海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進軌道交通裝備,未來碳纖維都能重塑整個產(chǎn)業(yè)。

這也意味著,產(chǎn)業(yè)化才能讓中國碳纖維更強。

目前,碳纖維領(lǐng)域最先進的技術(shù),尤其是T1000及以上級別的高端尖貨,我國雖然已攻克高端碳纖維的技術(shù),并在2019年下半年開始量產(chǎn),但其市場已被日美引領(lǐng),而同一時期,日本東麗已經(jīng)研究出強度是T1000十倍的T2000級碳纖維。

尤其碳纖維“龍頭”日本東麗的產(chǎn)品,如今已經(jīng)做到從小絲束到大絲束,從線、條到面板,全系列覆蓋,并且在高端碳纖維領(lǐng)域幾乎壟斷了國際航空市場。

差距就是機遇。

基礎(chǔ)已經(jīng)打好,伴隨規(guī)�；�的產(chǎn)業(yè)進程推進,中國碳纖維在高端領(lǐng)域崛起,相信也是指日可待。而總結(jié)碳纖維這一追趕歷程,以下兩個經(jīng)驗是重要,且值得科技攻關(guān)整體參考借鑒的:

首先,重大科技攻關(guān),要集中力量辦大事。重大科技項目,投入周期長、難度大,分散兵力,看似容易東方不亮西方亮,但最終卻往往因為每個項目的力量和資源都有限,而都不亮,甚至全軍覆沒。

其次,要重視民營企業(yè)的力量,市場機制的力量。比如,光威對碳纖維的突破,就對整體攻關(guān)起到巨大作用,而這背后,正是民營企業(yè)家在市場激勵下的創(chuàng)新創(chuàng)造。

【參考文獻】

[1]《中國碳纖維:“苦海有邊,回頭無岸”》原載于《師昌緒院士戰(zhàn)略思維與實踐足跡》徐堅

[2]《碳纖維40年:國際封鎖下的艱難攻關(guān)》《經(jīng)濟》雜志 黃芳芳

[3] 央視紀錄片《大國之材-碳纖維》

[4]《被“卡脖子”逼出來的碳纖維》新材料在線 李書鄉(xiāng)

——END——

歡迎關(guān)注【華商韜略】,識風(fēng)云人物,讀韜略傳奇。

版權(quán)所有,禁止私自轉(zhuǎn)載!

部分圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

如涉及侵權(quán),請聯(lián)系刪除