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国产高性能碳纤维量产落地——
一根细丝扛千钧
光明日报记者崔兴毅光明日报通讯员徐博研
一根直径仅6~7微米的细丝，抗拉强度远超普通钢材数十倍；一束1厘米见方的碳纤维，能承受70吨重压……2025年年底，中国科学院山西煤炭化学研究所(以下简称“山西煤化所”)攻克第二代干喷湿纺工艺，实现T1000级高性能碳纤维国产化量产——自此，这一关键技术，被中国科研团队耗时8年攻克下来。
被誉为“黑色黄金”的高性能碳纤维材料，能让汽车自身减重超60%，能化身骨骼与牙根植入人体，还能让5米以上的钓竿保持强悍韧性……它的诞生，是中国科研人自主创新的又一生动注脚。
织就“黑色黄金”
碳纤维是高性能轻量化复合材料的优选。刚刚实现国产化量产的T1000级高性能碳纤维，正是这一材料领域的最新突破。
这份突破，历经了一场漫长的“材料长征”。
21世纪初，面对进口碳纤维断供、国家尖端装备“无米下炊”的困境，在中国科学院院士师昌绪等的呼吁下，国产化攻关紧急启动。
“山西煤化所临危受命，于2008年成功攻克宇航级T300碳纤维工程化量产，实现了从‘无’到‘有’的突破。”山西煤化所副所长张寿春说。
此后，伴随T700、T800的相继突破，国产碳纤维开启了新的爬坡之路。下一座高峰——T1000级高性能碳纤维，成了主要技术关卡。
2016年，张寿春团队毅然转向第二代干喷湿纺技术，历经8年自主探索，最终于2025年建成首条T1000级碳纤维国产化示范线并成功投产。
如此来之不易的T1000级碳纤维，究竟代表着怎样的性能高度？“‘T’代表拉伸强度，其后的数字对应等级。T1000级意味着抗拉强度高达6600兆帕，远超普通钢材数十倍。”山西煤化所正高级工程师经德齐解释说。
国产化量产的核心突破，在于第二代干喷湿纺工艺的成功攻克。“要织就这缕‘黑色黄金’，关键在干喷湿纺的核心制备工艺。其本质是让碳纤维内部结构更规整，通过调控微晶尺寸，将原本凌乱的结构梳理成规整形态，就像把‘杂乱的多层织物’整理为‘整齐的单层结构’，从根本上提升强度与稳定性。”张寿春介绍，相较于基础高性能碳纤维T800，T1000级的工艺控制点更多、精度要求更严格。
“饸饹面”里的纺丝巧思
“干喷湿纺技术其实很好理解，就和山西饸饹面的制作差不多。原料的纯化聚合环节相当于‘和面’，喷丝固化环节相当于‘压面’，区别是干喷湿纺采用低温工艺，能减少纤维缺陷，进而优化纤维强度。”张寿春的这个生动比喻，对应着严谨的工艺步骤——将纺丝液通过高精度喷丝板挤出后，先经空气段加压提速，再进入凝固环节完成固化，最终形成固态碳纤维。
受饸饹面制作启发，研发团队通过调整原料“软硬”、添加助剂减少粘连等方法，历经3年实验打通干喷湿纺工艺流程。其中，干喷湿纺采用精密喷丝板，将单丝尺寸精准控制在10微米左右，再通过“多束合成1股”的方式形成12K丝束；同时，实时处理喷丝孔堵塞等缺陷，确保每一束纤维质量稳定，进而增强性能。
然而，“实时”与“稳定”绝非易事。“最棘手的是调试稳定后突然失稳的问题。我们开了10多场分析会议，全流程梳理排查，耗时近1个月集中攻关，最后才定位到是主设备稳定性的问题。”张寿春坦言。
产能放大后，如何维持产品的一致性，成为研发团队面临的重要考验。“就像做大锅菜，原料越多越不容易搅拌均匀，很难确保每一口味道一致。”山西煤化所高级工程师王飞介绍。
令人惊喜的是，上述环环相扣的难题，最终都被研发团队逐一破解。此刻，纺丝车间内设备高速运转，精密喷丝板中纺出的原丝经过均匀一致的碳化，在生产线末端转变为泛着金属光泽的纯黑色高性能碳纤维，表面光滑如镜。
实现稳定量产，还要惠及民生
实现稳定量产，只是这场“材料长征”的上半场，研发团队持续攻坚的下半场体现在碳纤维的利用上，即推进产业化，实现干喷湿纺碳纤维在更多领域的进口替代，确保我国在该领域的持续竞争力。
不同级别的碳纤维，应用场景各有侧重。“在新能源方面，它可以用在风力发电机巨大的叶片上，也能用在一些新型电力存储设备中，实实在在地助力减碳。”经德齐介绍，“而在医疗方面，用碳纤维做的接骨板和牙根，人体很容易接纳，不容易产生排斥；此外，做X光检查时也不会形成干扰影，能让医生看得清清楚楚，方便诊断和治疗。”
张寿春认为，国产碳纤维要继续实现规模化、低成本的生产，使其能够广泛应用于国家重大工程与战略性产业，并最终惠及民生。
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