冬奥会上的一件装备，暴露了国产碳纤维的惊人进步

2023-04-03 12:04

公元前7000年的石器时代，红山文化在打磨着手中的石器，公元前1400年的青铜时代，832千克的商后母戊鼎标志着人类青铜工艺的最高水准，公元前200年，铁器的普及，让大地染上了鲜血，一代材料，一代纪元，公元后21世纪，发生在我们眼下，但却看不到的地方，国产碳纤维，正在引领材料行业的新变革。

钓鱼佬永不空军！130斤的大青鱼已经几乎将鱼竿拉弯到半圆，钓鱼大师邓刚正在这青鱼斗智斗勇，放线拉杆，这条巨青被纤细的鱼竿吊了上来，如此夸张的承重，因为这根鱼竿的材料是碳素，碳素是碳纤维的提纯物。

碳纤维已经悄无声息地进入了我们的视野，前些天工信部列出了2022中国重点领域创新取得的重大突破，在C919大飞机、空间站、福建号这一众明星的名单里，有一个不起眼的新面孔——国产四人雪车等冰雪设备。

平常印象里，冰雪运动装备无非就是钢铁木头、傻大黑粗，这次竟然被工信部点名表扬，和飞机航母并列，因为专业冰雪运动装备早已经脱胎换骨，在科技的加持下实现升级，碳纤维复合材料凭借低密度、高抗拉强度、以及理想的弹性模量已经被广泛应用于体育领域。

碳纤维是灯泡灯丝的副产品，在爱迪生的时代就出现了，只是很久以来，它像一个“客人”，直到60年前，才走进了人们的视野，过去60年一直被称为新材料里的”贵族“，和普通消费者遥不可及，现在它正在慢慢走近更多的人，覆盖更大的市场……

19世纪末的圣莫里茨，一个名叫Bob的男孩把两只无舵雪橇摆放在一起，从山上疾驰而下，在众人的惊呼中，刺激的雪车运动就此诞生。1924年第一届冬奥会上就出现了雪车的身影，此后这项赛事就长期被欧美发达国家所垄断。

而我国的雪车国家队在2015年才堪堪成立，几乎没有什么国际大赛的经验，甚至于训练比赛使用的雪车都只能从国外市场购买，同国外强队专用的定制雪车技术上是有云泥之别，迟迟不能跻身雪车俱乐部，核心原因之一就是车身材料没办法搞定。

奥运会比拼的实质可以说是国家科技间的较量。雪车行驶速度高达每小时130km，被称为“冰雪“F1，也就意味着雪车项目的胜负就在毫秒之间，在选手技术不分上下的情况下，谁家的雪车更轻巧、更灵活往往决定了金牌花落谁家，钢制车身和碳纤维车身相比，仅仅从重量上就已经被远远落下。

德国队可以”霸榜“雪车项目，在北京冬奥会上包揽10枚金牌中的9枚，离不开背后宝马公司的支持，空气动力学、底盘开发以及碳纤维材料的应用使得德国雪车一骑绝尘，其中碳纤维材料在保证坚固的前提下，使车身重量得以减轻60%。

碳纤维新材料凭借密度低、强度高等自身特点，在提高器械性能的同时还可以优化设备生产工艺，比如生产F1赛车承力结构部件的热压罐工艺，以及制造雪橇的横压成型工艺，得益于碳纤维的高强度可以采用更灵活的制作工艺。21世纪是新材料的世纪，风电叶片、汽车工业、电子电器等行业对碳纤维新材料需求也在日益增长，2019年碳纤维需求量3.78万吨，市值达到9亿美元。

更要命的是国防工业，尤其是战斗机这种高精尖产品也需要应用大量碳纤维新材料来减重，歼——20的碳纤维占比就达到了27%，而俄罗斯大飞机MC——21就因为被美国赫氏和日本东丽断供碳纤维T800而折翼，前事不忘后事之师，俄罗斯的教训摆在这里，新材料技术的自主可控就显得尤为重要，广阔的市场和技术自主的迫切需求让新材料赛道迎来国产替代的春天。

性能如此强大的碳纤维材料的研发难点自然不低，制备难度大，需要高温高压碳化和热压工艺，对高温炉等制作设备的技术要求高，因为新材料自身内部解构复杂，制作设备不稳定会导致碳纤维容易产生裂纹、气泡等问题，影响使用寿命和质量。

同时复杂“研发——认可“程序构筑了极高的行业壁垒，产品、技术、工艺等都需要长时间、大容量的数据积累，并不是简单投资就可以出合格成品，我国某型战机使用的碳纤维材料就经历了从2005年到2011年长达6年的试错调整周期，成本巨大。

大而不强，核心技术被卡脖子也是新材料产业面临的问题。2020年全球碳纤维新材料产产量为17万吨，中美日三国占到产能的60%，核心技术依旧被日本东丽、美国赫氏、以及德国SGL三家垄断，国内M60级别的原丝目前无法实现工业化生产，上游的制造设备比如自动铺带ATL和自动铺丝AFP在关键零部件上被美国、法国限制，以至于因为固碳工艺有问题，国内缺乏高质量碳纤维原材料，此外名义上2020年我国碳纤维产能达到2.68万吨，实际产能则只有1.8万吨，产能利用率只有51%，低于国际水平。

为了备战北京冬奥，2019年科技部牵头从雪车开始推进冰雪运动设备自研，突破新材料层面的卡脖子问题，航天703所接下了这个任务，本科毕业于南京大学材料专业的周宇担任项目经理，这个高级工程师是未名湖上滑冰的常客，航天级别的碳纤维新材料和雪车也在这个人身上结缘。

知己知彼，百战不殆，看图纸不如拆实物，为了探究国际先进水平雪车的特点，2020年6月，航天703所买来了一台即将退役的比赛定制雪车，从气动外形到工艺材料进行了全面研究。

掌握航天级别资源的703所自然不会吝啬，车身制造应用产自山西钢科的TG800的碳纤维复合材料，强度性能比国家队用的装备材料提升了一倍，工艺上采用翼身融合结构整体成型，提高车身可靠性的同时还可以还可以降低雪车风阻，2021年1月第一代国产雪车制作成功，风阻系数比同类产品降低了8%。

精益求精，更进一步，为了冬奥会上的好成绩，航天703所开始了第二代国产雪车的研制，根据雪车的受力差异，调整不同部位的碳纤维层数，只有头发丝直径十分之一的碳纤维复合材料被经验丰富的工人师傅小心翼翼的铺贴在车身摸具上，最终在热压罐里，经过升温、加压等工艺实现固化，保证材料完全贴合，2021年9月第二代雪车出世，风阻系数再次降低4%，不要小看个位数的降幅，每4%的风阻降低就会提高2%的速度，对于雪车项目来说，几毫秒的差异都是关键的胜负手。

去年的北京冬奥会，国产雪车不负众望，帮助中国选手闫文港以4分01秒77的成绩拿下铜牌，取得史上最好成绩，放眼到整个冬奥，应用复合材料的不只是雪车，从运动员到观众，都在享受着新材料科技福利。

冬奥会的火炬历史上第一次使用碳纤维材料为主体，但是一般的碳纤维只能承受200℃的温度，但是火炬燃烧口则有着800℃，库贝（上海）化学给出了解决方案，最高能承受1200℃高温的第三代聚硅氮烷树脂，经过三维立体编织，碳纤维就像毛线，如同织围巾一样，编织出的火炬外壳质地紧密，浑然一体。

还有以碳纤维材料定制的运动员头盔，减重20%，有效降低了风阻系数，观众也不用再忍受零下二十度的气温，以柔性石墨、气凝胶和叠加态等创造出新型复合材料，用这种新材料编织的衣服在加热状态下可以稳定在40℃以上，而厚度和重量只有传统衣物的五分之一，2021年国内体育休闲领域运用碳纤维1.85万吨。

要知道1996年的《瓦森纳协定》就提出了对华新材料禁运，2005年更是彻底断供，以至于我国当时一度陷入山穷水尽的地步，日本政府2017年修改外汇法，没有官方允许，禁止批量出口碳纤维，对中国的每笔订单都需要严格的审查，从用途到公司，需要把我们自己企业的项目计划交给日本审核，才能得到这点“施舍”,而现在我们自己的航天器用的是山西碳钢的碳纤维材料。

从提供航天级新材料的山西钢科到解决火炬用料的上海库贝，我国的新材料行业正在逐步实现突围，2021年首次实现了全行业盈利，多个系列的碳纤维已经完成了国产化，基本保障了国防等重点领域的碳纤维供应的自主性。

原丝及设备环节，吉林碳谷、精功科技已经实现突破，其中精功科技主要碳纤维装备产品有千吨级碳纤维生产线和碳纤维微波石墨化生产线，每年产量可达 1500 吨，并且实现了整线核心设备出口海外，预氧化炉、碳化炉等核心设备首次出口韩国，2021年实现净利润1.08亿元。

碳丝生产领域吉林化纤和中国石化实现量产，我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程生产线已经在上海投料开车，吉林化纤计划将大丝束产值从每年8000吨提高到12000吨，名下子公司已经建成了年产600吨的小丝束生产线，吉林系碳纤维企业已经成为全球龙头。

中复神鹰、光威复材、中简科技更是军用和民用碳纤维的头部供应商，光威复材于 2017 年登陆创业板，是国内碳纤维行业首家上市公司，已经实现了T700和T800级别碳纤维的成熟化生产，成功打入了高端市场，可以说碳纤维国产替代稳步推进，实现了多点开花。

关键的原丝制备工艺上，恒神股份等企业也打破了美日封锁，可以高速纺丝、纤维密度高的干喷湿纺技术实现国产化，并且随着生产工艺的完善，设计成型一体化程度提高，规模效应的作用下，单位成本逐年下降，中简科技的碳纤维生产单位成本从2014年的1501元/千克降至2018年的599元/千克。

从市场情况来看，风电叶片、体育设备以及航空航天的增长潜力巨大，2021年，国内市场风电用碳纤维为2.25万吨，是国内碳纤维最大的应用领域，受到节能减排政策利好，风电装机量会持续扩大，玻璃纤维性能已经无法满足叶片大型化、轻量化的要求，碳纤维新材料的大规模应用是必然。

在航空航天领域更是诱人，国产飞机C919和ARJ121已经收到了共计800架订单，对应碳纤维需求为5800吨，约12.3亿元，此外新能源的崛起也给新材料带来了无限可能，新能源汽车比燃油车要重1——2吨，为了更长的续航里程，对减重的要求也就更高，2021年3月，廊坊的飞泽复材为蔚来ES6（中国第一款批量采用碳纤维的车款）生产的5万套碳纤维复材地板开始下线，根据赛奥碳纤维，预计2024年全球汽车领域碳纤维需求达1.26万吨。

前景光明，国内碳纤维企业几乎全部都在布局扩产，以迎接未来大量的市场需求，我们还要看到存在的一些问题，碳纤维最初被重视是因为军工行业的需要，1975年张爱萍将军就做出了新材料的十年规划，但受制于经济实力，直到21世纪初碳纤维新材料才真正上马，，最初的生产线也是为了满足战机而设立的，这也就导致了我国新材料企业的销售重点集中在了国防科工、航空航天等领域，中建科技2018年军品营收占总收入的99.77%，这就导致对于民用领域的高端碳纤维材料研究不足。