一场“丝”破重围的长征

　　当直径仅为6至7微米的碳纤维丝束在生产线上泛出金属光泽，中国科学院山西煤炭化学研究所（以下简称山西煤化所）的实验室里响起了持久的掌声。2025年11月，历经8年艰苦攻关，该所自主研发T1000级高性能碳纤维在山西华阳碳材料科技有限公司量产下线，整套工艺全流程实现了我国科技自主可控，关键指标达到国际先进水平。从2005年临危受命攻关T300碳纤维，到2025年T1000级高性能碳纤维实现规模化量产，山西煤化所以20年磨一剑的坚守，走完从“无”到“有”，从“有”到“强”的材料长征，这不仅改写了我国高端材料的发展历史，更勾勒出一条自主创新、产学研融合的产业突围之路。

从“无”到“有”，向着险峻的山峰攀登

　　2025年底，山西煤化所联合山西华阳碳材料科技有限公司建设千吨级高性能碳纤维一期200吨/年示范产业线，仅用16个月时间工程即顺利投产。在整洁的厂房里，超细的白丝从精密喷丝板均匀挤出，经过漂洗、牵伸、卷绕之后，乳白色逐步变为金黄色、深褐色、棕黑色，丝束在上千摄氏度高温中炙烤后，分子里的氢、氧等杂质被彻底剥离，最后只留高纯度的碳原子，变为纯正的黑色，表面光滑如镜，摸起来有轻微的金属质感。被称为“黑色黄金”的碳纤维，其超能力除了诞生之初的聚合，还有用化学反应在原子层面编织出精妙的强韧网格。在微观纺织的过程中，碳原子首先会连接成一张极其坚固的六边形网—石墨烯片层。这种网本身非常坚固，但通过“纺织”工艺，“分子胶水”把每一片层牢牢黏合在一起，再整体压实，最终形成一个既有纵向纤维、又有横向锁死的超级立体网格，当拉扯这根碳纤维时，力量会沿着数以亿计的碳原子网均匀分散。
　　号称“地表超强新材料”T1000级高性能碳纤维是在T300、T700、T800等系列产品的基础上迭代出的高端产品，主要应用于对性能和可靠性要求极高的航空航天及高端工业领域。在生产车间，整条生产线集成了我国自主研发的核心技术：大容量原液高效聚合工艺解决了原料均匀性难题，多纺位原丝织态控制技术确保了丝束质量稳定，大通量碳丝稳定均一化系统实现了规模化生产的一致性。每束碳纤维包含1.2万根超细单丝，它的单丝直径只有5至6微米，拉伸强度却突破6600兆帕，与T800相比，强度提高10%至20%；密度仅为钢的1/4，强度却是钢的5-7倍；这种超高强度、中等模量的碳纤维，既具有高负荷承载能力，又具备适配复杂工况的柔韧性，是工业领域的“黄金配置”。以一束1米长T1000级高性能碳纤维为例，重量仅0.5克，却能承载200多公斤的载荷。

从T300到T1000，向着更高更强探索

　　“由于技术封锁，每一步都是在摸着石头过河，虽然艰辛，但新一代自主化技术研发要大步向前，绝不能退缩。”山西煤化所副所长张寿春说。
　　“这是一项不可能完成的任务，也是一项必须完成的任务。”山西煤化所在高性能碳纤维研制方面已有半个多世纪的积累，是中国科学院最早研究碳纤维的研究所之一。上世纪六七十年代，所里的老一辈科学家在基本无参考资料的情况下，突破系列关键技术，建成我国第一条聚丙烯腈基碳纤维氧化碳化中试生产线，并生产出“高强Ⅰ型”碳纤维。虽然这种碳纤维的性能远低于T300，却是解决了当时国家的燃眉之急。2005年春天，山西煤化所临危受命承担国家急需的宇航级T300碳纤维生产任务。攻关期间，实验室成了科研人员的家，他们支起行军床，每天记录上百组数据，在“参数迷宫”中艰难探索，温度差1摄氏度，压力多0.1兆帕，都可能导致碳纤维断丝。老研究员们的手指泡在化学药剂中脱了皮，年轻工程师深夜还在琢磨纺丝的速度。2008年6月30日，当第一批产品顺利下线，品质达到用户单位提出的全部指标要求，我国成为继美国、日本之后第三个掌握该技术的国家。没有庆功宴，科研人员深知：“这也是开始，更险峻的山峰还在前方。”
　　近年来，在全行业共同努力下，我国高性能碳纤维技术逐步突破，T700、T800等级别的碳纤维技术相继实现突破和量产。与此同时，高性能碳纤维需求量快速增长，国产化占比逐年提升，进口产品价格随之被打了下来，我国碳纤维产能逼近全球一半。
　　在这条死磕关键技术的爬坡路上，山西煤化所基于长远规划和追逐更高性能碳纤维的决心，决定自主研发干喷湿纺技术路线。“为了从源头上解决产品性能迭代的问题，”张寿春说，“我们研制的T1000级高性能碳纤维，不仅强度达到世界一流水平，还通过独特的原料配方和干喷湿纺工艺，避免抗压性下降，解决了‘强而不韧’的问题，我们的技术能够生产出性能更均衡的碳纤维，综合优势明显。”除了极高的强度，T1000级高性能碳纤维还具备耐腐蚀、耐高低温等优异特性，在惰性环境中能够承受1000摄氏度的高温，在零下180摄氏度的极寒中也能保持性能稳定。

从“有”到“强”，向着世界一流产业集群迈进

　　如果说T300碳纤维实现了“从无到有”，T1000级高性能碳纤维则代表着“从有到强”。
　　从原料聚丙烯腈开始，碳纤维的诞生之路就是一条刨除杂质的淬炼之旅。“T1000级高性能碳纤维的核心优势在于结构的规整性。”团队成员、高级工程师经德齐这样说：“通过调控微晶尺寸，将原来凌乱的内部结构梳理成规整形态，就像把‘杂乱的多层织物’整理为‘整齐的单层结构’，从根本上提升了强度和稳定性。”正是这种微观结构的变化，使其在航空航天轻量化、新能源装备等领域具备不可替代的优势。
　　要实现这一突破，必须攻克第二代碳纤维技术——干喷湿纺技术。该技术被业内称为“分水岭工艺”，也是国外封锁最严密的关键技术。在一次课题讨论中，科研人员偶然从饸饹面中获得灵感。“干喷湿纺技术和山西巧妇制作一碗饸饹面手法如出一辙。原料的纯化聚合是‘和面’，喷丝固化是‘压面’，关键要控制好原料‘软硬’和挤压的力度。”团队借鉴饸饹面制作中“软硬适中、防止粘连”的技巧，通过调整聚合物的浓度、添加专用助剂，有效解决了喷丝过程中的粘连问题。经德齐的比喻对应着现场的工艺步骤——纺丝液通过高精度喷丝板挤出后，先经空气段加压提速，再进入凝固环节完成固化，最终形成固态碳纤维。历经3年实验，科研团队终于打通干喷湿纺工艺流程。
　　从实验室走向生产线，T1000级高性能碳纤维的产业化，面临着热场均匀性、张力控制、缺陷在线检测等一系列工程科学的挑战。产能放大后，如何维持产品的一致性，成为研发团队面临的考验。“就像做大锅烩菜，原料越多越不容易搅拌均匀，很难确保每一口味道都一致。”山西煤化所高级工程师王飞说。令人欣慰的是，环环相扣的难题，最终被科研团队一一破解。如今，纺丝车间里设备高速运转，精密喷丝板中纺出的原丝在生产线上纺出了高性能碳纤维。
　　不同级别的碳纤维，对应着不同的应用场景。不远的将来，T1000级高性能碳纤维将在航空航天领域、民用工业领域、体育休闲和医疗健康领域大展身手，飞机、卫星、空间站、高端跑车、风力发电叶片、机器人、骨科植入材料、手术器械等都有应用场景。团队目前正在朝着更高强度的T1200及其以上级碳纤维迈进，先后启动T1200、T1500级碳纤维研发，同时布局碳纤维复合材料的应用拓展。“材料科学无止境，我们的目标是打造世界一流的高性能碳纤维产业集群。”张寿春表示。

本报记者沈佳 本报通讯员李清波

编辑：温文