碳纤维：引领制造业的未来
说起碳纤维，一般人对它既熟悉又陌生。熟悉的是，从笔记本电脑外壳到汽车零部件，再到飞机部件、航天设备，许多领域都可以看到它的身影。陌生则在于，碳纤维目前属于“贵族产品”，还没有全面进入生活的各个领域，与大众尚有距离。
实际上，以碳纤维为代表的新型复合材料承载着支撑国民经济发展和国防建设的重任。碳纤维的发展目标，就是在未来的制造业中大规模取代金属材料。它是如此重要，因而2020浦江创新论坛专设“碳纤维复合材料产业创新发展高峰论坛”展开讨论。
“未来大规模代替金属材料”
碳纤维于20世纪70年代开始产业化应用，当时因为制造工艺不成熟、用量少导致成本昂贵，主要应用在军工、航天等领域。近20年，碳纤维开始在全球制造业各行业运用，未来最终的趋势是大规模代替金属材料。
之所以被人们寄予如此厚望，在于碳纤维有着极其优异的性能。用最简单的话来说，就是“轻质高强”：比重只有钢材的五分之一左右，但强度可以达到钢材的5-7倍，同时还有钢材无法比拟的抗腐蚀等特点。
国家“973”首席科学家、上海碳纤维复合材料创新研究院首席科学家、东华大学材料科学与工程学院教授余木火在接受《新民周刊》记者采访时表示：碳纤维材料的优势在许多领域可以得到充分体现。
例如，减轻自身重量以降低油耗、减少排放、提高续航里程是人们对所有交通工具的要求，小到婴儿推车、轮椅，大到轮船、飞机，再到人们正在研制中的在真空管道中飞驰的超高速列车，都是碳纤维的用武之地。
碳纤维重量轻，制造出来的零部件运动惯性小，从而速度快、精度高、噪音低、磨损小，这在所有存在机械运动的场合都是明显的优势。同时，碳纤维比钢材更耐腐蚀。要知道，全球有一半的机器寿命减少是因为材料被腐蚀造成的。
金属材料是当今制造业的支柱，而碳纤维是目前人类发现的最适宜接下来代替金属的材料，这一点已经形成全球共识。它对国民经济发展的重要性不言而喻，因而在各国都被纳入战略发展规划。
2013年10月，我国工业和信息化部发布了《加快推进碳纤维行业发展行动计划》；近年来，碳纤维复合材料研究多次被列入各级各地的科技重大专项。
把视角拉得更宏大一些，轻质高强的碳纤维也是建造探索宇宙所需航天设备的优质材料。航天器足够轻，加速它就越容易，人类的触角要探向更远的深空，碳纤维将给予强大的助力。
碳纤维产业的健康发展需要以下游的需求带动上游的研发生产，在余木火看来，上海在这两端都具备优势。
东华大学、上海交通大学、上海理工大学等高校都有较强的碳纤维复合材料研究团队，相关领域的多家国家重点实验室也落户在申城。海纳百川的文化有吸引创新团队的基因，加上当前全力打造全球科创中心的定位，上海在碳纤维研发人才领域储备雄厚。
另一方面，上海云集了碳纤维生产和应用领域的许多大型央企。中石化拥有制造碳纤维的原材料，可以就近生产；宝武钢铁集团出于远期战略转型需要，重视碳纤维的研发；而商飞集团、上汽集团、江南造船厂、上海电气等企业则对使用碳纤维材料有较多需求。
目前，上海的碳纤维产业布局主要由金山区承担。金山区内上海石化已在碳纤维领域重点攻关十余年，形成了具有自主知识产权、国际领先的成套技术，并拥有年产2500吨大丝束碳纤维产能，该产品是生产碳纤维复合材料的重要原材料。新材料产业是金山区重点发展的四大产业集群之一，已集聚一批碳纤维复合材料上下游产业资源。当地正在金山二工区打造“碳谷绿湾”园区，推动该区域从化工产业向以碳纤维复合材料为代表的高端新材料产业转型升级。
如何把碳纤维做好
余木火指出，当前碳纤维产业发展的核心问题是通过技术的突破和体制的创新，降低产品的成本。
目前，国际上优质的碳纤维产品还处于被日本企业垄断的局面。中国国产碳纤维的不足并不是在强度的指标上，而是产品的均匀性不够。
好的碳纤维需要满足以下条件：一根纤维应该是均匀直径、均匀物相，每一段纤维都与整根纤维一样，强度在一定范围内；在一根纤维上不同地方截取一段，它们的强度应该比较均匀。同一束纤维由很多根纤维组成，这些纤维的强度也需要比较均匀。
“T+数字”是表示碳纤维强度的指标，数字越大强度越高。如果标称T800强度的碳纤维产品中，有的纤维强度比T1000还高，有的还不如T500的话，这将严重影响到产品性能的稳定性，客户不可能放心采用。
影响碳纤维产品均匀性的因素涵盖从原材料开始到整个生产流程的工艺水平，这需要投入扎实的基础科学研究来改进。余木火表示，这正是当下我国碳纤维研发领域的短板所在。“许多生产企业纷纷投入到具体的产品领域，但不愿意沉下心来支持搞基础研究提升均匀性，只要有产品可以供应市场就可以了。这种短期的逐利行为是不可能让中国碳纤维的竞争力得到提升的。”
碳纤维产品的设计流程和传统的钢材产品有很大的不同：后者是先生产出材料，再将材料制造成零部件。而碳纤维的零部件设计与成型是一体化的，从原材料的步骤就要开始进行工艺的设计；并且，每一款零部件的设计都不一样。
“我们说碳纤维产品贵，其实现在不是贵在原材料上，而是贵在整个零部件制造。”余木火说，当前在许多碳纤维应用企业里存在一种现象，就是做零部件开发的和懂碳纤维的是两拨人，他们之间没有互相融合，结果在产品的研发过程中来来回回不断调整，大大增加了整体的研发成本。他举例说，某种应用领域的碳纤维原材料价格在每公斤150元，可是成为碳纤维零件后，价格飙升到每公斤700-2000元，这其中很多成本是因为不合适的设计与不合适的制造方法。
在他看来，我们的研发团队需要让懂碳纤维的人才从一开始就融入，并且牢牢咬住某个碳纤维产品的细分领域持之以恒地钻研数年，就很有希望做成“单打冠军”“隐形冠军”。以汽车零部件为例，传动轴、轮毂，新能源车的电池盒、储氢罐等，任选一个都可以开展碳纤维产品的研发。在碳纤维产品领域，客户验证某家供应商材料的质量所耗成本是巨大的。如果能率先在某个细分产品上做到行业领先水准，那么这个团队就可能持续拿到这个领域大多数客户的订单。“某一个碳纤维零部件都可能造就千亿元级别的商业赛道。”
如此的研发体制，在余木火所在的东华大学材料科学与工程学院已有实践。那里的一个数年来专心致力于碳纤维汽车传动轴的创业团队，如今已经得到投资，开始进行产业化。
营造碳纤维生态圈
2019年，上海碳纤维复合材料创新研究院成立并在金山第二工业区落地。这是一家由金山区政府、上海石化、上海电气集团、东华大学等7家单位联合发起成立的混合所有制的新型研发机构。研究院身兼双重使命，既是肩负科研攻坚重任的“破冰船”，又是提供公共服务的“航空母舰”，将通过提供产业链各环节研发与转化技术服务，加速孵化科研成果和技术产品。
在该研究院担任首席科学家的余木火向《新民周刊》记者表示：他更为看重研究院的产业孵化功能。他说，研究院为研发团队提供产品的公共中试车间，如果车间的一条生产线可以供十个团队公用的话，就将每个团队的配置生产线成本至少降低到了原来的十分之一。研究院为科研团队准备好基础设备，并向全球征集能高效利用这些设备的团队。
另外，研究院也可以发挥科技金融的功能，为碳纤维材料领域的发展提供基金平台支持。产业基金是投入到设备上，而创新基金则鼓励和吸引人才。另外，研究院还要为创新团队提供配套的公共服务。
近年来，上海金山区在推动碳纤维产业的发展上动作频频。在去年的浦江创新论坛上，金山区发布“碳纤维十五条”专项政策，全力推动碳纤维产业集群在杭州湾北岸的崛起。
这些专项政策，从支持产业集聚集约发展、支持企业做优做大做强、支持产学研结合及科创能力提升、推动碳纤维复合材料应用等四个方面着手，引导扶持碳纤维产业的高质量发展。比如，在现有政策奖补基础上，金山区研究设立碳纤维复合材料产业发展专项基金，重点支持共性关键技术、重大应用技术的突破，以及碳纤维重点产业项目建设。
论坛上，15个碳纤维领域相关项目签约落户金山，总投资额约70亿元。签约落地的产业项目中最吸引业界瞩目的，是上海石化大丝束碳纤维项目。该项目投产后可年产1.2万吨48K大丝束碳纤维，产品将应用于海上风电叶片、轨道交通、汽车、能源等领域。所谓“48K大丝束碳纤维”，指的是一束碳纤维包括4.8万根细丝，每根细丝直径只有头发丝的十分之一。这样的大丝束碳纤维用来生产复合材料的效率比小丝束碳纤维要高得多。
当前，中国每年大丝束碳纤维的用量在3万多吨，约占全球的三分之一，但大多数依赖进口，技术受制于人的情况突出。上述上海石化的万吨级国产项目投产后，有望推动这一原材料成本至少下降20%。
2020浦江创新论坛之“碳纤维复合材料产业创新发展高峰论坛”上，“打造长三角碳纤维产业生态圈”的联合倡议被提出。其中，“碳谷绿湾”示范产业园的建立，是其中关键一步。
该产业园位于金山第二工业区的核心位置，规划面积8.58平方公里，重点发展碳纤维复合材料、功能性膜材料、电子化学品、高分子增材制造材料等高端新材料，以及相关生产性服务业。至2025年，“碳谷绿湾”产业园规模产值预计突破500亿元。
2020年1-8月，“碳谷绿湾”产业招商“量质齐升”，已完成签约项目29个，计划投资总额约32.31亿元，同比增长181.25%；亿元以上签约项目10个，计划投资总额约26.68亿元。这些项目投资领域以高端新材料为主，围绕重点细分产业领域的强链、补链效应逐步提升。
金山区科委相关负责人表示：近年来，金山区组织参与编写上海碳纤维复合材料创新发展白皮书，开展金山区碳纤维复合材料产业发展规划研究，成立上海碳纤维复合材料创新发展专家委员会，并且充分发挥浦江创新论坛等平台功能和溢出效应，举办碳纤维复合材料产业发展高峰论坛等。
他说：上海碳纤维复合材料创新研究院将坚持政府主导、社会参与、市场化运作原则，加快建设成为具有较强产业影响力和区域辐射力的上海市级研发与转化功能型平台。同时，金山区正在努力争取国家碳纤维复合材料技术创新中心的落地和建设。(记者 王煜)
