本期走近科学，我们讲述2012年度上海市布局的一组专项项目――“科技创新行动计划”中关于先进复合材料的三个专题项目。之前的“走近科学”介绍的多是已经完成的甚至取得一定荣誉的项目，而本期介绍的，则是正在进行中的项目。
“一代材料、一代产业。”自20世纪60年代问世以来，碳纤维复合材料先是在航空航天、体育用品领域获得广泛应用，之后在新能源、汽车、交通、海洋、建筑以及其他工业部门快速普及。进入21世纪后，碳纤维复合材料在越来越多的领域取代金属及合金材料，成为国民经济及国防军工不可缺少的先进材料。根据目前的发展态势，碳纤维复合材料发展的好坏，已经关系到一个国家在制造业领域的国际地位。
上海是中国工业化较早的城市之一，传统制造业近年来面临着更新升级的压力。碳纤维作为技术含量非常高的一种新型材料，无论从产业机遇角度还是从城市转型角度，都理应成为上海高科技产业领域的一个有力抓手。
上游原材料已被牢牢占据
从国际格局来看，日本、美国等少数发达国家在上世纪50、60年代就开始研发和生产碳纤维，它们在产业链中占据了生产制造的先机。目前世界各国发展的碳纤维复合材料主要是PAN基碳纤维和沥青基碳纤维。前者是当今世界碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的75%。日本Toray(东丽)、Toho(东邦)、Mitsubishi Rayon(三菱人造丝)，美国Hexcel(赫克塞尔)、Amoco(阿莫科)和Zoltek(卓尔泰克)等公司是世界PAN基碳纤维的主要生产厂家。这些公司不仅拥有原丝这一核心产品，还将业务扩展至中、下游产品，与中下游市场建立了良好的合作关系。
我国相关部门和地方，最近几年在碳纤维复合材料领域投入了大量的资金和政策支持。但由于碳纤维复合材料产业的兴起与发展均发生在少数发达国家。所以从根本上来说我们处于追赶阶段。如何在尽量短的时间内超越领先者长期的积累，是我国发展碳纤维复合材料的核心命题。政府目前的战略，是通过资金和政策，选择有优势的研究单位和企业进行重点突破。
2010年，中国国家科技部将吉林省吉林市认定为国家碳纤维高新技术产业化基地，该基地是科技部唯一认定的碳纤维产业化国家基地。在此之后，碳纤维产业园区、基地在地方层面，如雨后春笋般出现。至2010年，我国已有15个省（直辖市）约36家企业参与了碳纤维建设，其中包括中国石油、中国石化、中国化工、中国钢铁、中国建材、中国恒天等六家央企，三年之后的今天，又有数家碳纤维企业跻身这一群体。2012年，上海的金山石化和斯瑞有限公司相继开出了腈纶碳纤维百吨级产品流水线，填补了上海工业产品结构中碳纤维材料的空白。
不过，国内能够投产的碳纤维依然是国外30年前就已经投入市场的产品。从某种程度上来说，我们依然处于非常落后的位置，距离市场应用更是有很长的距离。全国如此，上海也是如此。国际巨头的遥遥领先和兄弟省市的你追我赶，是上海碳纤维复合材料所面临的环境。“科技创新行动计划”中将碳纤维复合材料列为重要的一个子领域，正是缘于这样的背景。
材料应用与原材料制造同样重要
碳纤维复合材料产业的产业链，最主要包括两部分内容，一是基础性的碳纤维原材料的生产，二是碳纤维制品的生产。
这两方面，国际巨头都牢牢占据着制高点。在原材料方面，日本的东丽、东邦及三菱人造丝三家公司，产量占世界高性能碳纤维总能力的75.5%左右。这三家公司无论质量还是数量上均处于世界领先地位。不仅如此，美国、日本等国还不断研发更高性能、更低成本以及质量更加稳定的碳纤维，持续保持领先的同时还对包括我国在内的一些国家实行出口管制。
在应用方面，碳纤维复合材料首先在航空、航天上有广泛应用，然后逐渐扩展到新型汽车、风力叶片等领域。作为当今世界航空领域的两大霸主，波音和空客，对于碳纤维复合材料的应用已经轻车熟路。他们与日本的碳纤维复合材料厂有密切的合作，保证了原材料的供应。他们与一些高端装备制造企业密切合作，保证了利用碳纤维复合材料制造飞机部件的设备的供应。当然，作为此领域的领跑者，他们对碳纤维复合材料部件的制造工艺处于完全领先的地位。为保持领先的一种手段，他们控制了碳纤维复合材料在飞机上应用的适航标准。
航天、汽车、风力叶片等碳纤维制品领域，基本上也都是由国外巨头控制。
国内对碳纤维的研究和开发，其实并不晚。我国从上世纪60年代初开始，一直延续到70年代、80年代和90年代底，先后有国家级、地方级的国有企业对碳纤维开展过断断续续的研发。最近一些年，碳纤维作为国家的一个重点支持项目，有“863”、“973”等重点项目支持。但是很遗憾，由于种种原因，我国到现在为止还没有具备规模化生产高性能碳纤维的能力。
国内碳纤维迟迟无法在市场中应用。主要因为两个原因，其一，碳纤维从实验阶段的小试到规模化的工厂生产，即工业化扩大，一直没有有效解决；其二，复合材料生产部件的应用技术没有发展。第二个问题，是之前较少关注但很关键的问题。因为碳纤维复合材料作为金属及其合金的替代者，将对诸多行业进行颠覆性的改变。在这个替代的过程中，使用碳纤维复合材料制造产品的技术，即应用技术，是碳纤维复合材料真正落地的关键。所以在“科技创新行动计划”碳纤维复合材料布局中，原材料、应用部件以及使用原材料制造应用部件的设备被当作了三个重点，分别立项。
“大飞机”落户上海带来应用机遇
上海的碳纤维复合材料，在原材料方面并没有特别的优势。如前所说，直到2012年，上海才开出了腈纶碳纤维百吨级产品流水线。但是，正如前面已经提及，碳纤维复合材料产业的发展，需要包括碳纤维原材料、应用技术在内的全链条发展。应用技术的发展，需要碳纤维生产方的支持，但是更需要应用产品方的设计和总体把握。而这些应用方，分散在制造业的各个领域，如航空、航天、汽车、体育用品以及基础设施等。
一个地方在碳纤维复合材料领域的突破，必须基于自身拥有的优势。上海相较其他地方，一个重要的优势就在于，它是国家战略重点的“大飞机”C919项目落户的地方。
商用飞机是碳纤维的使用大户。根据中国商飞的规划，C919型号飞机的复合材料平尾已确定在上海地区生产，中央翼也会逐步在上海地区生产。而这些部件一旦可以用碳纤维进行制造，毫无疑问将产生一大笔经济效益。
上海飞机制造有限公司的牵头地位，使得上海市科委有机会将大飞机作为碳纤维复合材料发展的抓手。正因于此，这次“科技创新行动计划”中的三个项目基本上是围绕推进上海民用航空制造业的技术发展而设定的。
作为研发和生产飞机复合材料部件的生产厂，上海飞机制造有限公司位于这一项目的中心。生产出大飞机的碳纤维复合材料部件需要碳纤维材料，所以研发和生产碳纤维的企业――位于上海的私企斯瑞公司和在沪央企金山石化也得到了支持，而东华大学作为研发实力较强的科研单位，也得到了相应支持。碳纤维复合材料需要碳纤维与树脂的结合，所以树脂生产厂家――华东理工大学校办企业华昌聚合物有限公司也得到了支持。在设备方面，制造飞机复合材料部件所用的自动铺带设备的生产企业――上海重型机械厂也得到了支持。上海交通大学则承担了碳纤维复合材料部件的质量检测的工作。这一系列的支持，由科委进行组织协调，项目的执行，则由上海飞机制造厂牵头负责。在这个过程中，研、产、学、政、用完全进行了无缝对接。
如此，我们不难看出，上海以应用层面的航空复合材料作为抓手，展开了对碳纤维复合材料全产业链的支持。这一计划的布局思路摒弃了所谓先原材料、后应用产品这样的套路，而是基于自身的优势从应用出发牵动整个系统的发展。
汽车是新的应用高地
发展大飞机碳纤维复合材料部件并非最终目的。企业和科研机构通过政府组织的项目夯实自己的研发和生产能力后，其成果可以进一步地扩散到其他领域。
复合材料重量占国产C919大飞机全机结构总重的15%以上
在聚焦大飞机项目的基础上，政府也试探性地布局了汽车等领域。如科委支持了上汽集团与同济大学、东华大学等合作，进行碳纤维复合材料制造的汽车部件的研发。其思路和飞机牵引思路一致。
碳纤维复合材料汽车是碳纤维复合材料的另一个巨大潜力市场。现代汽车所耗能量中，用来移动车身的能量超过了2/3，而移动司机的能量不到0.5%。从节能的角度考虑，人们迫切希望轻质的碳纤维复合材料能够替代金属及其合金用于汽车生产。另外，碳纤维制造汽车车身、底盘等主要结构件，还具有制动稳定性优良，环保、耐磨等优点。
根据美国落基山研究所2012年的报告，至少有6家国际知名的汽车制造商掌握了规模化生产碳纤维复合材料的产业技术。这说明，国际上的一些汽车巨头公司，对于碳纤维复合材料制造汽车，已经有相当成熟的技术储备。
据有关报告预估，汽车用碳纤维将从2010年的2300吨，增长到2019年的9300吨。2009年，我国生产汽车1375万辆，2010年，我国汽车销售量已是美国的两倍。预计2015年，生产汽车数量将达4000万辆，商机大在。接下来开展围绕汽车制造的原材料、技术工艺、设备、检测等方面的布局，其效果也非常可期。
在制造业领域，掌握核心技术意味着掌握话语权，但在掌握核心技术的路上，领先者的围堵以及同行追赶者的竞争是无可避免的，选择自己的优势走出自己的道路是各个后发者唯一能够做的，也是上海碳纤维复合材料领域正在做的――如这一项目组所体现的。
2012上海“科技创新行动计划”
――碳纤维复合材料
专题1、碳纤维复合材料基础原材料开发
研究目标：开发专用的碳纤维及其预浸料、环氧树脂等材料，形成产品标准，实现稳定生产；达到民航客机、汽车整车和电缆等制造和使用需求的材料性能，以及相应的检测能力。
专题2、碳纤维复合材料在航空、汽车等领域中的典型应用部件开发
研究目标：试制大型民用客机水平尾翼、航空发动机风扇部件和包容机匣复合材料实物样件，完成相关的性能检测和模拟试验，并通过适航性认证。新能源汽车复合材料典型部件通过台架和装车试验。
专题3、碳纤维复合材料成型专用设备开发
研究目标：研制出民航客机、新能源汽车复合材料典型部件成型专用关键装备，满足复合材料典型部件的自主制造需求。