「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於廣州地鐵18號線「灣區藍」高速列車。中國石化提供的數據顯示，使用碳纖維複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，是國內首列車頭罩採用碳纖維複合材料的地鐵列車。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並掌握，尤其是大絲束碳纖維，大部分依賴進口，長期供不應求。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，先後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、中復神鷹碳纖維股份公司、恆神股份、上海石化、光威復材和吉林化纖集團等。上海石化是國內較早研發碳纖維並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，研製出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。該項目採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，達成後整個工程將年產3000噸原絲、1500噸碳纖維。據中石化介紹，石油被開採出來後進入煉廠，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。這些長鏈捲曲纏繞在一起，形成了聚合物聚丙烯腈。之後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，在特製的溶液中凝固成型。經過一系列的機械拉伸，形成緻密規整的白色原絲。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。一般將絲束數量小於24K的碳纖維稱為小絲束，24K以上的為大絲束。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。下游應用中，航空航天占比最高，達到37.7%；在風電、光伏和氫能源三大碳中和主戰場，碳纖維分別應用在風電葉片、碳碳復材和壓力容器。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。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，並實現生產低成本化，從而打破碳纖維高昂價格帶來的應用局限。自2019年起，中國石化和中國中車一起攻克了碳纖維複合材料在軌道交通領域規模應用關鍵核心技術，最終實現了碳纖維複合材料在「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於時速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複合材料技術攻關。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複合材料製作奧運火炬外殼，解決了氫燃料燃燒時火炬需要耐高溫的技術難題。該外殼能夠在高於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，上下段採用膠接的方式，形成火炬整體外殼預製件。其中，火炬上段採用碳纖維陶瓷基複合材料，耐高溫性能優異，滿足火炬上段燃燒環境的使用；下段採用碳纖維樹脂基複合材料，力學強度高，滿足火炬的整體使用強度。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。◆四川廣元走出一位富豪：打造高分子材料助劑龍頭企業，身家32億◆一墩難求！火爆全網的冬奧吉祥物冰墩墩都用了哪些高分子材料？免責聲明：新材料研習社微信公眾號發布的文章，僅用於材料專業知識和市場資訊的交流與分享，不用於任何商業目的。任何個人或組織若對文章版權或其內容的真實性、準確性存有疑義或者覺得侵權，請第一時間聯繫我們刪除。
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