10月10日，我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料开车，并产出合格产品，产品性能媲美国外同级别产品质量，达到国际先进水平，标志着中国石化大丝束碳纤维从关键技术突破、工业试生产、产业化成功走向规模化和关键装备国产化，一举破除我国碳纤维生产和装备受制于人的被动局面，真正实现自主可控。
现代科技的每次巨大飞跃都离不开新材料的出现。在新型材料中，碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，不仅具有碳材料的固有本征特性，而且兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维，被称为“新材料之王”“黑黄金”。
“新材料之王”应用场景广泛，不论是航空航天、能源装备，还是交通运输、体育休闲等领域，都能看到它们撑起一方天地。无人机、汽车部件、自行车、旅行箱、护膝、船桨、氧气瓶、钓鱼竿……生活中也处处有碳纤维的身影。
上海石化研发生产的大丝束碳纤维，是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。在碳纤维行业内通常将每束碳纤维根数大于4.8万根（简称48K）的称为大丝束碳纤维，其力学性能优异，比重不到钢的四分之一，强度却是钢的7至9倍，并且还具有耐腐蚀的特性。
中国石化碳纤维专家、上海石化副总经理黄翔宇介绍，为了让大丝束碳纤维真正拥有“中国技术”，上海石化从装备到工艺，为大丝束量身定制了专用生产线，如根据大丝束的要求自行设计氧化炉、碳化炉，他们不仅成功掌握了控制温度场的关键核心技术，而且配置了节能型设计，可实现能源综合利用，这在国内外装备也是绝无仅有。
碳纤维：小丝束与大丝束
碳纤维从无到有，经历了100多年的发展，在国防军工和民用方面都是重要材料，目前全球碳纤维产能已经突破10万吨量级。小到旅行箱、自行车、网球拍等生活用品，大到风电叶片、高铁动车头罩、飞机部件、卫星导弹等高精尖设备，碳纤维应用场景广泛。作为一种高价值新材料，碳纤维制造难度高、工艺复杂，一直都是国外进行技术封锁和产品垄断的战略物资，高端碳纤维复合材料技术长期掌握在发达国家手中，美国、日本和欧洲国家在碳纤维领域技术产业领先，日本东丽公司长期处于行业龙头地位，新兴国家在发展碳纤维上举步维艰。20世纪70年代，国外已实现高性能碳纤维的批量生产。
我国碳纤维技术研发始于1962年，但由于基础研究落后，碳纤维的产业发展一直在低水平徘徊。2000年是我国碳纤维产业发展的一个关键节点。2000年以后，全球碳纤维供不应求，进口碳纤维变得非常困难，严重影响国防安全。2001年，师昌绪院士提出要大力发展碳纤维产业，得到政府高度重视，并开始大力支持碳纤维领域的自主创新。2012年，加快发展碳纤维并提高规模化制备水平被列入“十二五”发展规划；2016年，“十三五”提出加强新材料产业上下游协作配套，在碳纤维复合材料领域开展协同应用试点示范；2021年，加强碳纤维及其复合材料的研发应用被列入“十四五”规划重点发展领域；今年4月，工信部、国家发改委提出攻克48K以上大丝束、高强高模高延伸、T1100级、M65J级碳纤维制备技术。
从政策导向来看，高性能、规模化是我国碳纤维产业的发展趋势。2010年我国碳纤维产量开始增长，2021年我国碳纤维产量达2.9万吨。突破始于宇航级碳纤维技术。历经多年艰苦攻关，我国开始突破碳纤维制备的关键技术，2005年起相继实现了系列碳纤维（包括T300级、T700级和T800级）的国产化，解决了宇航级碳纤维的自主保障问题，我国也成为继日本、美国之后第三个掌握宇航级碳纤维技术的国家。
宇航级碳纤维又称小丝束碳纤维。碳纤维的分类标准有很多，按丝束规格的不同，可以将碳纤维分为小丝束和大丝束。早期小丝束碳纤维以1K、3K、6K为主，逐渐发展出12K和24K，1K代表一束碳纤维中有1000根丝。小丝束生产工艺难度大，价格和成本较高，性能优异，主要应用于军工、航空航天领域；大丝束碳纤维通常指48K以上的碳纤维，包括48K、60K、80K等，其生产成本低，性价比高，主要应用于工业领域。
通常来讲，小丝束碳纤维对可靠性、工艺性、稳定性要求严苛，较高的成本也影响了下游企业应用碳纤维的积极性。大丝束相较于小丝束最大的优势就是成本低，随着生产技术的进步、人们对碳纤维材料结构性能的熟悉，大丝束碳纤维也越来越多用于对可靠性要求严苛的领域。据相关数据统计，2021年全球碳纤维需求量约为11.8万吨，其中大丝束碳纤维需求量约为5.1万吨，占比约43.5%。我国每年进口3万吨左右碳纤维，其中一半以上是大丝束碳纤维。加快实现碳纤维及其复合材料自主可控、开发高性价比的碳纤维，对我国来说战略意义重大。
中国石化：攻关与突破
中国石化在碳纤维领域持续攻关十余载，在大丝束碳纤维国产化道路上取得突破性成果。今年10月10日，我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在上海石化碳纤维产业基地投料开车，产出合格产品，产品性能优异，质量达到国际先进水平。同时，实现了硫氰酸钠（NaSCN）溶剂路线原丝、碳纤维制备理论创新，形成了具有中国石化自主知识产权的48K大丝束碳纤维产业化成套技术。这标志着中国石化大丝束碳纤维技术成功实现规模化生产和关键装备国产化，破除了我国碳纤维生产和装备受制于人的被动局面，真正实现自主可控。
碳纤维按原丝种类可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，其中PAN基碳纤维成品品质优异、力学性能优良，且相比于另外两种碳纤维工艺难度更低，是最主要的碳纤维品种，目前已成为市场主流，产量占比超90%。2007年，中国石化决策部署PAN基碳纤维的研发和产业化攻关工作，并将项目落户上海石化。十余年间，中国石化历经了从12K小丝束到48K大丝束的跨越。
“大兵团”作战，以企业为主体进行“产、学、研、用”相结合推进协同创新。2007年，上海石化领命开始碳纤维攻关并成立攻关团队，集中优势资源攻克关键核心技术，他们组织上海石油化工研究院、上海工程公司、国内知名设备制造企业等，在上海市委和市政府的大力支持下，联合北京化工大学、复旦大学等10余家科研院所、高校、企业等一起协同攻关，陆续取得阶段性成果：2008年11月，碳纤维中试装置建成；2009年3月，成功研制出12K小丝束碳纤维原丝；试验成功后，上海石化采用自行开发的国内独有的NaSCN湿法工艺，以及具有自主知识产权的成套技术，着手进行3000吨/年原丝、1500吨/年碳纤维项目建设，2012年9月，项目一阶段工程建成投产，形成了3000吨/年聚合物、1500吨/年原丝、500吨/年12K碳纤维的工业化生产能力；攻关步履不停，紧接着上海石化科研人员开始在500吨/年12K碳纤维装置上研发48K大丝束碳纤维，2018年1月，开发了大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化碳化工艺技术，形成千吨级PAN基48K大丝束碳纤维成套技术工艺包的技术基础；2018年3月，上海石化成功试制出国内真正意义上的48K大丝束碳纤维，并贯通工艺全流程。
“十年磨一剑。”针对大丝束特点自行设计制造国产化生产线，中国石化树立了我国碳纤维建设史上的里程碑，成为国内第一家、全球第四家掌握大丝束碳纤维技术的企业。截至目前，中国石化已累计拥有碳纤维相关专利251项、碳纤维复合材料专利46项，专利排名国内第一、世界第三。
前景展望：通用级、大丝束、小丝束、高性能产品全面突破
未来国内碳纤维需求将继续保持高速增长，新能源等领域驱动碳纤维需求爆发。比如在海上风电项目中，风机大叶片长达100多米，目前叶片普遍采用玻璃纤维制成，但是玻璃纤维自身的重量大，强度也没有碳纤维好，而大丝束碳纤维作为优质的轻量化材料，能为叶片增加强度的同时可成功“瘦身”15%~20%，提升发电能力；新能源汽车通过使用轻量化的碳纤维零部件，能明显增加新能源汽车的续航里程。据中国复合材料工业协会有关人士介绍，到2030年以后，仅大丝束碳纤维就有望达到500亿量级，它带动的整个复合材料市场规模应该是千亿级的。
根据赛奥碳纤维《2016-2021全球碳纤维复合材料市场报告》，从全球的维度来看，碳纤维需求量从2016年的7.65万吨增至2021年的11.8万吨，CAGR（复合年均增长率）为9.02%，2021年同比增速从2020年的3.05%提升至10.42%，2025年预计全球需求量达20万吨，未来4年CAGR为14.10%。从国内的维度来看，碳纤维需求量从2016年的1.96万吨增至2021年的6.24万吨，CAGR为26.06%，2021年的同比增速高达27.69%，2025年预计国内需求量为15.93万吨，未来4年CAGR为26.37%。从应用领域来看，2021年全球和国内碳纤维的主要应用领域均是风电叶片。2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域分别是风电叶片（27.97%）、体育休闲（15.68%）和航空航天（13.98%）；而国内占比前三的领域分别是风电叶片（36.07%）、体育休闲（28.05%）和碳/碳复材（11.22%）。风电叶片、体育休闲、航空航天、碳/碳复材等领域的需求占据了碳纤维市场需求的主要部分。
复合材料专家、中国工程院院士李仲平在《如何认识神奇的碳纤维》一文中表示，“在第四次工业革命前夕，在即将进入智能化、智慧化社会这个过程中，碳纤维和碳纤维复合材料将发挥越来越重要的作用”。
中国石化既是碳纤维的研发和生产企业，也是碳纤维复合材料的研发和应用企业，在未来碳纤维产业发展中将继续加大科研力度，加快推进产业布局，全面推广应用场景。到“十四五”末期，中国石化将在多种工艺流程实现通用级、大丝束、小丝束、高性能等产品方面的全面突破，为引领和推动中国碳纤维产业发展作出贡献。
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