比钢硬九倍、与口罩同源 这种新材料变成了高速列车头 | 工业硬科技

“新材料之王”——碳纤维在中国增添了新的应用场景。

2月11日，界面新闻从中国石化新闻办获悉，近日中国石化上海石化自主研发生产的碳纤维成功应用于广州地铁18号线“湾区蓝”高速列车。

中国石化提供的数据显示，使用碳纤维复合材料的列车车头罩，性能完全符合运行条件，与同等模块的铝合金材料相比，可减轻重量达35%-40%，有效助力列车减重提速。

广州地铁18号线是国内第一条时速160公里的全地下市域快线，被誉为粤港澳大湾区最快地铁。担任运营任务的“湾区蓝”列车，是国内首列车头罩采用碳纤维复合材料的地铁列车。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料，质量是钢的四分之一，强度是钢的7-9九倍，耐腐蚀，被称为“新材料之王”或者“黑黄金”。

碳纤维技术壁垒较高，目前只有日本、美国等少数发达国家拥有并掌握，尤其是大丝束碳纤维，大部分依赖进口，长期供不应求。

中国在20世纪六七十年代开始进行碳纤维研究，2000年起进入发展新阶段，2007年产能进入飞速发展阶段，先后出现了多家碳纤维生产企业。

目前，国内生产碳纤维的企业，包括中简科技(300777.SZ)、中复神鹰碳纤维股份公司、恒神股份(832397.NQ)、上海石化(600688.SH)、光威复材(300699.SZ)和吉林化纤集团等。

上海石化是国内较早研发碳纤维并进行产业化生产的企业。

2007年，中国石化开始PAN基碳纤维的研发和产业化攻关工作，由上海石化负责项目建设。2008年11月，中试装置建成；2009年3月，研制出12K原丝。1K代表一束碳纤维中有1000根丝，12K即一束碳纤维中有1.2万根丝。

2012年9月，上海石化碳纤维项目一阶段工程投产，具备年产3000吨聚合物、1500吨原丝、500吨碳纤维的生产能力。该项目采用了国内独有的硫氰酸钠(NaSCN)湿法工艺成套技术，具有自主知识产权。

2021年5月，上海石化年产1000吨碳纤维生产线建成投产。工程二阶段项目正在建设中，达成后整个工程将年产3000吨原丝、1500吨碳纤维。

碳纤维和口罩“同宗同源”，原料均为石油。

据中石化介绍，石油被开采出来后进入炼厂，经过常减压装置蒸馏处理，从中提取石脑油等组分。将石脑油送到温度为700-900摄氏度的乙烯裂解炉中，将其裂解成丙烯。

当丙烯与氨气、氧气混合，在催化剂作用下，会发生丙烯氨氧化反应，便得到了碳纤维的原料——丙烯腈。丙烯腈单体经过聚合反应，不断连接在一起，形成具有螺旋结构的聚丙烯腈大分子长链。

这些长链卷曲缠绕在一起，形成了聚合物聚丙烯腈。之后在聚丙烯腈中加入特殊溶剂，缠结在一起的大分子链变成流动的纺丝液体。

通过机械剪切和管道输送，这些大分子逐渐有序排列，纺丝液从喷丝板的喷丝孔里高速挤出，在特制的溶液中凝固成型。经过一系列的机械拉伸，形成致密规整的白色原丝。

白色原丝经过氧化、高低温碳化等连续工艺，颜色从白变黄，再从黄变黑，纤维也越变越细，最终形成“黑黄金”碳纤维。

碳纤维按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束。一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束，24K以上的为大丝束。

碳纤维。图片来源：中国石化

根据赛奥碳纤维发布的研究报告，2020年全球碳纤维市场规模为26.15亿美元。下游应用中，航空航天占比最高，达到37.7%；在风电、光伏和氢能源三大碳中和主战场，碳纤维分别应用在风电叶片、碳碳复材和压力容器。

根据长江证券测算，中国碳纤维市场将从2020年的63亿元增长至2025年的164亿元，到2030年将进一步增长至433亿元。

上海石化是中国石化系统内唯一研发生产碳纤维的企业，也是内第一家率先突破48K大丝束碳纤维产业化技术的企业。

48K大丝束最大的优势是，在相同生产条件下，可大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能，并实现生产低成本化，从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。

自2019年起，中国石化和中国中车一起攻克了碳纤维复合材料在轨道交通领域规模应用关键核心技术，最终实现了碳纤维复合材料在“湾区蓝”上的应用。

中国石化称，下一步将在广州地铁22号线列车上应用碳纤维材料。

此外，中国石化和中国中车的研发团队正在开展应用于时速400公里高速列车、磁悬浮列车等更高性能等级车型的碳纤维复合材料技术攻关。

北京冬奥会火炬“飞扬”的材料，也是来自中国石化的碳纤维。

这是全球首次实现以碳纤维复合材料制作奥运火炬外壳，解决了氢燃料燃烧时火炬需要耐高温的技术难题。该外壳能够在高于800摄氏度的氢气燃烧环境中正常使用。

本次冬奥会火炬外壳分成两段：上段燃烧段和下段普通段，上下段采用胶接的方式，形成火炬整体外壳预制件。

其中，火炬上段采用碳纤维陶瓷基复合材料，耐高温性能优异，满足火炬上段燃烧环境的使用；下段采用碳纤维树脂基复合材料，力学强度高，满足火炬的整体使用强度。

吉林化纤集团在大丝束碳纤的工业也处于国内领先。

2017年7月，吉林化纤集团下属吉林碳谷碳纤维有限公司在24K原丝经验基础上，开始研究48K大丝束碳纤维原丝。

2018年7月，该公司开发出48K碳纤维原丝的聚合、纺丝工艺技术，形成了千吨级48K碳纤维原丝技术工艺包。

（文章来源：界面新闻）

关键词： 中国石化