記者 | 侯瑞寧
“新材料之王”——碳纖維在中國增添了新的應用場景。
2月11日，界面新聞從中國石化新聞辦獲悉，近日中國石化上海石化自主研發生產的碳纖維成功應用于廣州地鐵18號線“灣區藍”高速列車。
中國石化提供的數據顯示，使用碳纖維復合材料的列車車頭罩，性能完全符合運行條件，與同等模塊的鋁合金材料相比，可減輕重量達35%-40%，有效助力列車減重提速。
廣州地鐵18號線是國內第一條時速160公里的全地下市域快線，被譽為粵港澳大灣區最快地鐵。擔任運營任務的“灣區藍”列車，是國內首列車頭罩采用碳纖維復合材料的地鐵列車。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料，質量是鋼的四分之一，強度是鋼的7-9九倍，耐腐蝕，被稱為“新材料之王”或者“黑黃金”。
碳纖維技術壁壘較高，目前只有日本、美國等少數發達國家擁有并掌握。
中國在20世紀六七十年代開始進行碳纖維研究，2000年起進入發展新階段，2007年產能進入飛速發展階段，先后出現了多家碳纖維生產企業。
目前，國內生產碳纖維的企業，包括中簡科技(300777.SZ)、中復神鷹碳纖維股份公司、恒神股份(832397.NQ）、上海石化(600688.SH)、光威復材(300699.SZ)和吉林化纖集團等。
上海石化是國內較早研發碳纖維并進行產業化生產的企業。
2007年，中國石化開始PAN基碳纖維的研發和產業化攻關工作，由上海石化負責項目建設。2008年11月，中試裝置建成；2009年3月，研制出12K原絲。1K代表一束碳纖維中有1000根絲，12K即一束碳纖維中有1.2萬根絲。
2012年9月，上海石化碳纖維項目一階段工程投產，具備年產3000噸聚合物、1500噸原絲、500噸碳纖維的生產能力。該項目采用了國內獨有的硫氰酸鈉（NaSCN）濕法工藝成套技術，具有自主知識產權。
2021年5月，上海石化年產1000噸碳纖維生產線建成投產。工程二階段項目正在建設中，達成后整個工程將年產3000噸原絲、1500噸碳纖維。
碳纖維和口罩“同宗同源”，原料均為石油。
石油被開采出來后進入煉廠，經過常減壓裝置蒸餾處理，從中提取石腦油等組分。將石腦油送到溫度為700-900攝氏度的乙烯裂解爐中，將其裂解成丙烯。
當丙烯與氨氣、氧氣混合，在催化劑作用下，會發生丙烯氨氧化反應，便得到了碳纖維的原料——丙烯腈。丙烯腈單體經過聚合反應，不斷連接在一起，形成具有螺旋結構的聚丙烯腈大分子長鏈。
這些長鏈卷曲纏繞在一起，形成了聚合物聚丙烯腈。之后在聚丙烯腈中加入特殊溶劑，纏結在一起的大分子鏈變成流動的紡絲液體。
通過機械剪切和管道輸送，這些大分子逐漸有序排列，紡絲液從噴絲板的噴絲孔里高速擠出，在特制的溶液中凝固成型。經過一系列的機械拉伸，形成致密規整的白色原絲。
白色原絲經過氧化、高低溫碳化等連續工藝，顏色從白變黃，再從黃變黑，纖維也越變越細，最終形成“黑黃金”碳纖維。
碳纖維按纖維數量不同可分為小絲束和大絲束。據中國石化介紹，通常將每束碳纖維根數大于48K的稱為大絲束碳纖維。目前國內碳纖維基本每束處于10K-12K之間，為小絲束；大絲束碳纖維大部分依賴進口，長期供不應求。
上海石化是中國石化系統內唯一研發生產碳纖維的企業，也是內第一家率先突破48K大絲束碳纖維產業化技術的企業。
48K大絲束最大的優勢是，在相同生產條件下，可大幅度提高碳纖維單線產能和質量性能，并實現生產低成本化，從而打破碳纖維高昂價格帶來的應用局限。
吉林化纖集團在大絲束碳纖的工藝也處于國內領先。
2017年7月，吉林化纖集團下屬吉林碳谷碳纖維有限公司在24K原絲經驗基礎上，開始研究48K大絲束碳纖維原絲。
2018年7月，該公司開發出48K碳纖維原絲的聚合、紡絲工藝技術，形成了千噸級48K碳纖維原絲技術工藝包。
就碳纖維下游應用市場而言，前景廣闊。
其中，航空航天占比最高，達到37.7%。風電、光伏和氫能源這三大碳中和主戰場，也是碳纖維重要應用領域，分別應用在風電葉片、碳碳復材和壓力容器。
根據賽奧碳纖維發布的研究報告，2020年全球碳纖維市場規模為26.15億美元。
根據長江證券測算，中國碳纖維市場將從2020年的63億元增長至2025年的164億元，到2030年將進一步增長至433億元。
自2019年起，中國石化和中國中車一起攻克了碳纖維復合材料在軌道交通領域規模應用關鍵核心技術，最終實現了碳纖維復合材料在“灣區藍”上的應用。
中國石化稱，下一步將在廣州地鐵22號線列車上應用碳纖維材料。
此外，中國石化和中國中車的研發團隊正在開展應用于時速400公里高速列車、磁懸浮列車等更高性能等級車型的碳纖維復合材料技術攻關。
北京冬奧會火炬“飛揚”的材料，也是來自中國石化的碳纖維。
這是全球首次實現以碳纖維復合材料制作奧運火炬外殼，解決了氫燃料燃燒時火炬需要耐高溫的技術難題。該外殼能夠在高于800攝氏度的氫氣燃燒環境中正常使用。
本次冬奧會火炬外殼分成兩段：上段燃燒段和下段普通段，上下段采用膠接的方式，形成火炬整體外殼預制件。
其中，火炬上段采用碳纖維陶瓷基復合材料，耐高溫性能優異，滿足火炬上段燃燒環境的使用；下段采用碳纖維樹脂基復合材料，力學強度高，滿足火炬的整體使用強度。