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一根直徑僅6~7微米的細絲，抗拉強度遠超普通鋼材數(shù)十倍；一束1厘米見方的碳纖維，能承受70噸重壓……2025年年底，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所（以下簡稱“山西煤化所”）攻克第二代干噴濕紡工藝，實現(xiàn)T1000級高性能碳纖維國產(chǎn)化量產(chǎn)——自此，這一關(guān)鍵技術(shù)，被中國科研團隊耗時8年攻克下來。

被譽為“黑色黃金”的高性能碳纖維材料，能讓汽車自身減重超60%，能化身骨骼與牙根植入人體，還能讓5米以上的釣竿保持強悍韌性……它的誕生，是中國科研人自主創(chuàng)新的又一生動注腳。

織就“黑色黃金”

碳纖維是高性能輕量化復(fù)合材料的優(yōu)選。剛剛實現(xiàn)國產(chǎn)化量產(chǎn)的T1000級高性能碳纖維，正是這一材料領(lǐng)域的最新突破。

這份突破，歷經(jīng)了一場漫長的“材料長征”。

21世紀初，面對進口碳纖維斷供、國家尖端裝備“無米下炊”的困境，在中國科學(xué)院院士師昌緒等的呼吁下，國產(chǎn)化攻關(guān)緊急啟動。

“山西煤化所臨危受命，于2008年成功攻克宇航級T300碳纖維工程化量產(chǎn)，實現(xiàn)了從‘無’到‘有’的突破。”山西煤化所副所長張壽春說。

此后，伴隨T700、T800的相繼突破，國產(chǎn)碳纖維開啟了新的爬坡之路。下一座高峰——T1000級高性能碳纖維，成了主要技術(shù)關(guān)卡。

2016年，張壽春團隊毅然轉(zhuǎn)向第二代干噴濕紡技術(shù)，歷經(jīng)8年自主探索，最終于2025年建成首條T1000級碳纖維國產(chǎn)化示范線并成功投產(chǎn)。

如此來之不易的T1000級碳纖維，究竟代表著怎樣的性能高度？“‘T’代表拉伸強度，其后的數(shù)字對應(yīng)等級。T1000級意味著抗拉強度高達6600兆帕，遠超普通鋼材數(shù)十倍。”山西煤化所正高級工程師經(jīng)德齊解釋說。

國產(chǎn)化量產(chǎn)的核心突破，在于第二代干噴濕紡工藝的成功攻克。“要織就這縷‘黑色黃金’，關(guān)鍵在干噴濕紡的核心制備工藝。其本質(zhì)是讓碳纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)更規(guī)整，米蘭體育官網(wǎng)通過調(diào)控微晶尺寸，將原本凌亂的結(jié)構(gòu)梳理成規(guī)整形態(tài)，就像把‘雜亂的多層織物’整理為‘整齊的單層結(jié)構(gòu)’，從根本上提升強度與穩(wěn)定性。”張壽春介紹，相較于基礎(chǔ)高性能碳纖維T800，T1000級的工藝控制點更多、精度要求更嚴格。

“饸饹面”里的紡絲巧思

“干噴濕紡技術(shù)其實很好理解，就和山西饸饹面的制作差不多。原料的純化聚合環(huán)節(jié)相當(dāng)于‘和面’，噴絲固化環(huán)節(jié)相當(dāng)于‘壓面’，區(qū)別是干噴濕紡采用低溫工藝，能減少纖維缺陷，進而優(yōu)化纖維強度。”張壽春的這個生動比喻，對應(yīng)著嚴謹?shù)墓に嚥襟E——將紡絲液通過高精度噴絲板擠出后，先經(jīng)空氣段加壓提速，再進入凝固環(huán)節(jié)完成固化，莊閑和最終形成固態(tài)碳纖維。

受饸饹面制作啟發(fā)，研發(fā)團隊通過調(diào)整原料“軟硬”、添加助劑減少粘連等方法，歷經(jīng)3年實驗打通干噴濕紡工藝流程。其中，干噴濕紡采用精密噴絲板，將單絲尺寸精準(zhǔn)控制在10微米左右，再通過“多束合成1股”的方式形成12K絲束；同時，實時處理噴絲孔堵塞等缺陷，確保每一束纖維質(zhì)量穩(wěn)定，進而增強性能。

然而，“實時”與“穩(wěn)定”絕非易事。“最棘手的是調(diào)試穩(wěn)定后突然失穩(wěn)的問題。我們開了10多場分析會議，全流程梳理排查，耗時近1個月集中攻關(guān)，最后才定位到是主設(shè)備穩(wěn)定性的問題。”張壽春坦言。

產(chǎn)能放大后，如何維持產(chǎn)品的一致性，成為研發(fā)團隊面臨的重要考驗。“就像做大鍋菜，原料越多越不容易攪拌均勻，很難確保每一口味道一致。”山西煤化所高級工程師王飛介紹。

令人驚喜的是，上述環(huán)環(huán)相扣的難題，最終都被研發(fā)團隊逐一破解。此刻，紡絲車間內(nèi)設(shè)備高速運轉(zhuǎn)，精密噴絲板中紡出的原絲經(jīng)過均勻一致的碳化，在生產(chǎn)線末端轉(zhuǎn)變?yōu)榉褐饘俟鉂傻募兒谏咝阅芴祭w維，表面光滑如鏡。

實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，還要惠及民生

實現(xiàn)穩(wěn)定量產(chǎn)，只是這場“材料長征”的上半場，研發(fā)團隊持續(xù)攻堅的下半場體現(xiàn)在碳纖維的利用上，即推進產(chǎn)業(yè)化，實現(xiàn)干噴濕紡碳纖維在更多領(lǐng)域的進口替代，確保我國在該領(lǐng)域的持續(xù)競爭力。

不同級別的碳纖維，應(yīng)用場景各有側(cè)重。“在新能源方面，它可以用在風(fēng)力發(fā)電機巨大的葉片上，也能用在一些新型電力存儲設(shè)備中，實實在在地助力減碳。”經(jīng)德齊介紹，“而在醫(yī)療方面，用碳纖維做的接骨板和牙根，人體很容易接納，不容易產(chǎn)生排斥；此外，做X光檢查時也不會形成干擾影，能讓醫(yī)生看得清清楚楚，方便診斷和治療。”

張壽春認為，國產(chǎn)碳纖維要繼續(xù)實現(xiàn)規(guī)模化、低成本的生產(chǎn)，使其能夠廣泛應(yīng)用于國家重大工程與戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，并最終惠及民生。

（本報記者 崔興毅 本報通訊員 徐博研）