幾年前，一個非常重要的行業(yè)正遭遇生存危機(jī)：一邊是國際行業(yè)巨頭蓄意打壓，一邊是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程受阻。完全靠自主研發(fā)的我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于不進(jìn)則退、內(nèi)憂外患、生死攸關(guān)的關(guān)鍵時刻。
重要在何處，從其應(yīng)用領(lǐng)域就能一目了然：美國B1、B2、F22、F117等隱型戰(zhàn)機(jī)大量使用碳纖維材料；戰(zhàn)略導(dǎo)彈、神舟飛船、國產(chǎn)新一代戰(zhàn)斗機(jī)上，碳纖維更是不可或缺的關(guān)鍵材料。
碳纖維是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中不可缺失的戰(zhàn)略性新材料，我國碳纖維行業(yè)經(jīng)過長期自主研發(fā)，打破了國外技術(shù)裝備封鎖，產(chǎn)業(yè)化取得初步成果。但目前全行業(yè)存在技術(shù)創(chuàng)新能力弱、工藝裝備不完善、產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本高、低水平重復(fù)建設(shè)、高端品種產(chǎn)業(yè)化水平低、下游應(yīng)用開發(fā)嚴(yán)重不足等突出問題。若不能盡快突破瓶頸，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)極可能在國際碳纖維巨頭的凌厲攻勢下潰不成軍。
然而，這一切在2016年被終結(jié)了。3月6日，黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“T700級碳纖維中試生產(chǎn)線及工藝研究”通過有關(guān)專家組鑒定，這條以原始創(chuàng)新為核心的生產(chǎn)線具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
從概念引進(jìn)到技術(shù)引進(jìn)，再到國產(chǎn)化嘗試，后突破壁壘逐步代替進(jìn)口……細(xì)看之下碳纖維走過的道路與當(dāng)前風(fēng)頭正盛的石墨烯如此相似。兩大材料初出茅廬之時就都被加冕為“新材料之王”，而兩大材料的特性又極為近似，未來關(guān)于這兩大材料間的大戰(zhàn)似乎不可避免，那么究竟誰才是新材料之王？
來源：本是“同根生”
其實(shí)，碳纖維與石墨烯頗有淵源，就連出場的“噱頭”都極為相似。
“既堅(jiān)如磐石，又韌如發(fā)絲，它是自古以來人類在材料領(lǐng)域孜孜以求的品質(zhì)。一卷卷如布匹般的黑色編織物如同從新材料中一躍而起的‘黑馬’，碳纖維不僅兼顧柔中帶剛的特性，還具有不怕強(qiáng)酸腐蝕、耐超高溫、具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性和電磁屏蔽性等諸多閃光點(diǎn)”這是媒體對碳纖維的描述。而對于新一代材料石墨烯，媒體也毫不吝嗇溢美之詞，稱其“生而不凡”，是目前發(fā)現(xiàn)的薄、堅(jiān)硬、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能強(qiáng)的一種新型納米材料，被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。
除了炒作的噱頭外，碳纖維與石墨烯源于“同根”。簡單來講，碳纖維和石墨稀互為同素異形體，兩者是都由碳原子構(gòu)成的單質(zhì)，但碳原子的排列方式不同。
碳纖維，顧名思義，它不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。與傳統(tǒng)的玻璃纖維(GF)相比，楊氏模量是其3倍多；它與凱芙拉纖維(KF-49)相比，不僅楊氏模量是其2倍左右，而且在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐蝕性出類拔萃。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)良性能，在保持密度低的前提下，獲得很大的軸向強(qiáng)度和楊氏模量。同時，碳纖維具有很好的耐超高溫性、耐疲勞性和耐腐蝕性，以及良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。這些優(yōu)良的特性，是保證其在各領(lǐng)域中得到應(yīng)用的前提。有學(xué)者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強(qiáng)堿NaOH溶液中，時間已過去30多年，它至今仍保持纖維形態(tài)。
石墨烯是一種二維晶體，大的特性是其電子的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”(electricchargecarrier)的性質(zhì)和盡對論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。
相對于石墨烯，碳纖維的研究和使用有很長的歷史，在市場應(yīng)用方面也相對成熟，但其加工方式、結(jié)構(gòu)、性能有很大的局限性。石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，由于其極強(qiáng)的易用性和可拓展性，在備受關(guān)注，被譽(yù)為21世紀(jì)的黑金。在紡織物的應(yīng)用領(lǐng)域，二者各有千秋。曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究員宋亞斌先生表示，在制備工藝方面，石墨烯取材于石墨礦產(chǎn)，通過其獨(dú)特的濕法紡絲技術(shù)等形成連續(xù)生產(chǎn)的工藝，相對于碳纖維可以更高效的用于紡織工業(yè)。
成長：“前后相隨”的怪圈
大到航天飛機(jī)，小到高端腕表，碳纖維與石墨烯從出生開始就在各個領(lǐng)域創(chuàng)造嘆為觀止的“奇跡”。這也造就了兩種材料相同的成長路徑。
對碳纖維的研究開始于20世紀(jì)60年代，80年代開始研究高強(qiáng)型碳纖維。多年來進(jìn)展緩慢，但也取得了一定成績。21世紀(jì)以來發(fā)展較快，安徽率先引進(jìn)了500噸每年原絲、200噸每年P(guān)AN基碳纖維，使碳纖維工業(yè)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化。隨后一些地方相繼加入碳纖維生產(chǎn)行列。
從2000年開始碳纖維向技術(shù)多元化發(fā)展，放棄了原來的硝酸法原絲制造技術(shù)，采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術(shù)并獲得成功。利用自主技術(shù)研制的少數(shù)國產(chǎn)T700碳纖維產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平。隨著對碳纖維的需求量日益增長，碳纖維已被列為化纖行業(yè)重點(diǎn)扶持對象。2005年碳纖維市場僅為9億美元，而2013年達(dá)到100億美元，預(yù)計(jì)到2022年有望達(dá)到400億美元，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也將進(jìn)入全新的時代。碳纖維產(chǎn)業(yè)化采取自主開發(fā)和引進(jìn)相結(jié)合的道路，到“十一五”末期基本實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)于日本T300的國產(chǎn)碳纖維規(guī)模生產(chǎn)線，并且有一些企業(yè)已形成了T700以上水平的百噸生產(chǎn)線。
然而，受供應(yīng)不足的影響，國內(nèi)碳纖維市場發(fā)展相對較為緩慢。近幾年，隨著供應(yīng)量的提升，碳纖維行業(yè)的需求量也將保持著較快速度的增長。
即便是目前國內(nèi)部分研發(fā)機(jī)構(gòu)、大型企業(yè)集團(tuán)已經(jīng)開始逐步掌握了高端碳纖維的制備工藝，但技術(shù)普及需要很長的時間，現(xiàn)階段整體技術(shù)的落后導(dǎo)致碳纖維產(chǎn)品質(zhì)量與進(jìn)口產(chǎn)品之間差距明顯，這也極大地限制了國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。有數(shù)據(jù)顯示，碳纖維產(chǎn)品在應(yīng)用上集中于低端領(lǐng)域，在碳纖維質(zhì)量要求較高的航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用比例僅為3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒達(dá)到國際上碳纖維行業(yè)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用占比的平均水平;而在質(zhì)量要求相對較低的運(yùn)動休閑用品領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用比例卻高達(dá)80%左右，國內(nèi)碳纖維在運(yùn)動休閑用品領(lǐng)域應(yīng)用超出國際平均水平四倍多。
相對于碳纖維，石墨烯近年來經(jīng)過了階段性的“瘋狂生長”后，正面臨著場生死考驗(yàn)。
由于石墨烯極有可能掀起一場席卷的新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。近三年里，政府陸續(xù)出臺了多項(xiàng)支持政策，而資本市場更是推波助瀾，將石墨烯推上了一個個新的高潮。但業(yè)內(nèi)人士紛紛表示了他們的擔(dān)憂：如今石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品低端化、同質(zhì)化、以及過度炒作等問題日益嚴(yán)重，行業(yè)輪“大洗牌”已經(jīng)隱現(xiàn)，未來三年內(nèi)，至少半數(shù)以上企業(yè)可能將被淘汰出局。
應(yīng)用：“一時瑜亮”誰能稱王？
漢晉時期，巴丘湖（今洞庭湖）畔，東吳四英之周瑜，彈罷長河吟，高呼“既生瑜何生亮”便撒手人寰，后稱才能相匹敵者為“瑜亮”。這無意中道出了碳纖維與石墨烯的關(guān)系。
以兩大材料相對集中的智能服裝產(chǎn)業(yè)為例。隨著眾多智能穿戴設(shè)備市場的快速發(fā)展，近兩年來，智能服裝逐步開始走入大眾生活，智能服裝順理成章的成為很多傳統(tǒng)服裝企業(yè)發(fā)力點(diǎn)，一大批具有前瞻性的傳統(tǒng)服裝制造企業(yè)、創(chuàng)新型科技公司紛紛聯(lián)合高校、研發(fā)機(jī)構(gòu)等對智能服裝投入了大量研究。
區(qū)別于傳統(tǒng)服裝，智能服裝實(shí)屬一個跨界的產(chǎn)品，需要結(jié)合科技、電子、通信、互聯(lián)網(wǎng)、醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、紡織工藝、服裝設(shè)計(jì)、服裝制造等多個行業(yè)技術(shù)。這其中，新材料的研發(fā)與應(yīng)用無疑是推動智能服裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在新材料方面，由于加熱理療的廣大市場需求，以石墨烯和碳纖維引領(lǐng)的含有加熱理療功能的智能服裝成為眾多服裝企業(yè)和科技類企業(yè)主攻的破局點(diǎn)。
針對于目前智能服裝市場使用為廣泛的兩種加熱理療類新材料，記者走訪了眾多專家和研究院，對石墨烯和碳纖維進(jìn)行了詳細(xì)的對比。
相對于石墨烯，碳纖維的研究和使用有很長的歷史，在市場應(yīng)用方面也相對成熟，但其加工方式、結(jié)構(gòu)、性能有很大的局限性。石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，由于其極強(qiáng)的易用性和可拓展性，在備受關(guān)注，被譽(yù)為21世紀(jì)的黑金。在紡織物的應(yīng)用領(lǐng)域，二者各有千秋。據(jù)曼徹斯特大學(xué)石墨烯研究員宋亞斌先生表示，在制備工藝方面，石墨烯取材于石墨礦產(chǎn)，通過其獨(dú)特的濕法紡絲技術(shù)等形成連續(xù)生產(chǎn)的工藝，相對于碳纖維可以更高效的用于紡織工業(yè)。
其次，在結(jié)構(gòu)性能方面，碳纖維由片狀的石墨微晶不規(guī)則地堆砌而成，這種結(jié)構(gòu)對于孔隙率的控制極為嚴(yán)格，導(dǎo)致碳纖維的力學(xué)性能下降，且該結(jié)構(gòu)造成碳纖維在徑向的韌性較差，很容易在彎折時發(fā)生斷裂;而石墨烯纖維中石墨烯片層結(jié)構(gòu)在纖維軸向上高度取向，且橫向晶體的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)碳纖維的橫向晶體尺寸，使其具有很好的柔韌性，甚至可以在扭曲打結(jié)的狀態(tài)下不斷裂，這使得石墨烯纖維在高端紡織工業(yè)有著巨大的優(yōu)勢。
在新材料領(lǐng)域，碳纖維的大的特點(diǎn)是“貴“，石墨烯的特點(diǎn)則是“更貴”。總體來說石墨烯在紡織物應(yīng)用方面具備很大的優(yōu)勢，但在價格方面要比碳纖維材料高出不少，可以說，石墨烯纖維的橫空出世為改善碳纖維應(yīng)用中存在的問題帶來了希望。據(jù)了解，2015年11月東華大學(xué)發(fā)現(xiàn)可在光熱刺激下“編輯”石墨烯形態(tài)，受控生產(chǎn)形態(tài)改變，使得石墨烯在智能可穿戴領(lǐng)域存在多種應(yīng)用可能性。有很多服裝品牌已經(jīng)在石墨烯輕應(yīng)用方面投入重金，以更快速地將研發(fā)成果投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。石墨烯材料的研究與應(yīng)用將瓦解現(xiàn)有產(chǎn)品而引領(lǐng)新技術(shù)的發(fā)展，而隨著柔性顯示技術(shù)推進(jìn)，其優(yōu)質(zhì)的特性在高端紡織工業(yè)和智能穿戴領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景;重要的是，石墨烯具有更優(yōu)異的強(qiáng)度和更強(qiáng)大的電學(xué)、熱學(xué)性能，可在輕量級的電導(dǎo)體、織物超級電容器、智能生物傳感器以及智能加熱服等領(lǐng)域發(fā)揮作用。
宇航及工業(yè)發(fā)展拉動碳纖維投資熱潮。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維下游領(lǐng)域主要對應(yīng)工業(yè)、消費(fèi)品及宇航領(lǐng)域,需求占比分別為65%、20%和15%。隨著宇航領(lǐng)域及工業(yè)領(lǐng)域中的需求急劇增長,韓國、、印度等戰(zhàn)略性支持性政策引起碳纖維開發(fā)及投資熱。
美國和日本長期占據(jù)碳纖維技術(shù)高點(diǎn),國內(nèi)碳纖維制備較為落后。就碳纖維產(chǎn)能來看,前五大碳纖維企業(yè)的市場占有率在60%以上,日本東麗產(chǎn)能占比18%,其主打產(chǎn)品是PAN基碳纖維及其預(yù)浸料等編織材料、復(fù)合材料;分來看,日企在小絲束碳纖維的市場份額達(dá)到49%,日美兩國在大絲束碳纖維上的市場份額可達(dá)到76%。國內(nèi)在碳纖維制備上仍然落后,僅有T300級碳纖維達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平,T700、T800以及M50J僅分別初在工業(yè)化生產(chǎn)、批量生產(chǎn)及突破關(guān)鍵研制技術(shù)的階段，但也出現(xiàn)了產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過剩,高端碳纖維具備技術(shù)壁壘的問題。
有人說，石墨烯與碳纖維將來必有一戰(zhàn)，這場大戰(zhàn)將出現(xiàn)在眾多領(lǐng)域中以及未來的市場競爭中。碳纖維對于新材料市場來說，一切都是以產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用前提的，只有到了這個階段，人們才會真正的認(rèn)識碳纖維，正視碳纖維與石墨烯之間的博弈，那也將是一段“驚心動魄”的故事。
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