碳纖維因其高性能和高售價并存，一直是業(yè)界的心中之痛，它就像陽春白雪，高高奉上，但和者寥寥。碳纖維企業(yè)關(guān)注碳纖維的價格，但下游用戶關(guān)心的則是其復(fù)合材料制件的價格，碳纖維企業(yè)心痛高成本的碳纖維賣了白菜價，而下游用戶并不在乎碳纖維多貴，只關(guān)心我買的碳纖維產(chǎn)品合不合算。因此有必要回顧民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)從零到目前占結(jié)構(gòu)重量50%以上，超過鋁成為飛機(jī)最主要的結(jié)構(gòu)材料所走過的路，也許可供碳纖維從業(yè)者參考。

上世紀(jì)70年代的石油危機(jī)引發(fā)了航空業(yè)的危機(jī)，為了降低燃油消耗，結(jié)構(gòu)輕量化是民機(jī)生產(chǎn)商的首選，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面也已竭盡了最大的努力，也已使用比重最小的金屬材料——鋁，作為唯一的出路，民機(jī)生產(chǎn)商把眼光瞄向了比重更小的碳纖維。出于性能優(yōu)先的考慮，軍機(jī)結(jié)構(gòu)已大量使用碳纖維復(fù)合材料，但高昂的成本成了民機(jī)廠商使用碳纖維最大的攔路虎。在此背景下美國政府贊助航空公司（波音、道格拉斯（后為麥道）和洛克希德）啟動了持續(xù)數(shù)十年民機(jī)使用碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用的國家計(jì)劃，同樣歐洲也啟動了類似的計(jì)劃（TANGO），這些計(jì)劃重點(diǎn)并不是降低碳纖維生產(chǎn)成本，而是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低成本設(shè)計(jì)、制造工藝和維護(hù)技術(shù)。值得關(guān)注的是所有這些計(jì)劃的核心是三個詞：信心（安全）、技術(shù)、成本，特別是CAI計(jì)劃的關(guān)鍵詞就是“買得起的復(fù)合材料（affordability）”。ACEE計(jì)劃最初啟動時的目標(biāo)是飛機(jī)主結(jié)構(gòu)機(jī)翼和機(jī)身使用碳纖維復(fù)合材料，實(shí)際執(zhí)行時發(fā)現(xiàn)十年計(jì)劃只實(shí)現(xiàn)了尾翼復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的使用，在成本可為用戶接受的技術(shù)支持下，所有大飛機(jī)的均使用復(fù)合材料尾翼結(jié)構(gòu)（占結(jié)構(gòu)重量約10%），使東麗公司實(shí)現(xiàn)千噸級的供應(yīng)；此后又經(jīng)過近30年的努力才使機(jī)翼機(jī)身使用復(fù)合材料的成本為用戶接受，其標(biāo)志是波音787復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占機(jī)體結(jié)構(gòu)的重量50%，A350占52%，從而實(shí)現(xiàn)東麗與赫氏實(shí)現(xiàn)萬噸級碳纖維供應(yīng)，兩家公司的碳纖維實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性盈利。今天波音仍在試圖進(jìn)一步降低成本，把液體成型工藝進(jìn)一步用于主結(jié)構(gòu)和使用性能略低但成本也更低的大絲束（24k）碳纖維或其他來源的碳纖維。圖1是幾個主要的研究計(jì)劃和取得的成果。

可以發(fā)現(xiàn)在民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中，碳纖維的價格并沒有多少變化，應(yīng)用T800后，價格其實(shí)更貴了，但并沒有影響碳纖維復(fù)合材料價格的降低，使用幾乎全碳纖維復(fù)合材料機(jī)體結(jié)構(gòu)的波音787實(shí)現(xiàn)銷售1000多架，并逼迫空客公司研發(fā)使用更多復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的A350（從開始的40%增加到46%，直至必須超過波音達(dá)到52%）。波音公司的復(fù)合材料專家給出了飛機(jī)復(fù)合材料制品成本的構(gòu)成（見圖2），其實(shí)材料在其中只占8-20%，工藝制造和裝配占了80%以上。如果從用戶最關(guān)心的全壽命成本（采購成本+使用成本+維護(hù)成本）來看，材料成本占比更少。Zoltek公司的專家也給出了相同的結(jié)論，認(rèn)為在汽車復(fù)合材料制件中材料成本只占20%?，F(xiàn)在專家和大佬們只討論如何降低碳纖維成本，當(dāng)然在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中碳纖維成本需要大幅度降低，碳纖維企業(yè)關(guān)注低成本碳纖維無可非議，但這并不能從根本上解決產(chǎn)業(yè)化的問題，如果不下大功夫解決復(fù)合材料制品成本問題是沒有意義的。

1996年由美國科學(xué)院和工程院下屬的先進(jìn)民用飛機(jī)新材料專業(yè)委員會編制的《下一代民用運(yùn)輸機(jī)用的新材料》中指出：“雖然復(fù)合材料的市場銷量增長緩慢往往歸因?yàn)樵牧系母叱杀?，但材料成本?shí)際上僅占復(fù)合材料構(gòu)件總成本的8%~10%。事實(shí)上工藝制造成本是總成本中最高的單項(xiàng)成本。過去性能因素推動著復(fù)合材料在航空航天中的應(yīng)用研究，但近年來成本則起到了更大的作用。這樣，開發(fā)下一代民用運(yùn)輸機(jī)工藝的一個基本準(zhǔn)則是低成本制造的可能性。委員會相信，在可預(yù)見的將來，發(fā)展趨勢是不斷開發(fā)低成本的制造工藝。”

圖1  民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化之路

圖2  傳統(tǒng)航空復(fù)合材料制品的成本構(gòu)成

當(dāng)然復(fù)合材料制品中碳纖維成本的占比取決于碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品，并不是所有的復(fù)合材料制品都像航空復(fù)合材料產(chǎn)品的占比，在前面一片文章中已經(jīng)指出，民機(jī)應(yīng)用在我國近期內(nèi)不可能有萬噸的需求，不需要眾多碳纖維企業(yè)的參與，所以本文要討論的國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路上，所有的碳纖維企業(yè)必須考慮的重點(diǎn)是大量使用碳纖維的下一個工業(yè)領(lǐng)域。記得錢云寶先生對營銷人員經(jīng)常教導(dǎo)的：“要記得兩個可替代性，即碳纖維的可替代性和成本的可替代性。”要清楚地回答：用戶為什么要用碳纖維；用碳纖維為用戶帶來什么好處。因此要回答這個問題必須清楚地知道碳纖維與其他材料相比的優(yōu)勢是什么。

碳纖維復(fù)合材料相比傳統(tǒng)材料最大的優(yōu)勢是其在具有所需強(qiáng)度的前提下具有最高的比模量（彈性模量與密度之比）（如表1所示），而不是大家所說的比強(qiáng)度高。其實(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師都清楚，首先是用材料的彈性模量進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)變形要求的前提下確定設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行強(qiáng)度校核，對薄弱環(huán)節(jié)局部補(bǔ)強(qiáng)，結(jié)構(gòu)減重首先選用彈性模量最高的材料，這就是碳纖維分代的依據(jù)，所以T300（模量230GPa）是第一代，T800（模量294GPa）是第二代，T1100（模量324GPa）是第三代，T700和T1000的高強(qiáng)度只是T300和T800采用低成本干噴濕紡工藝的產(chǎn)物，并不是根據(jù)用戶的需求研發(fā)的新品種，在多數(shù)情況下碳纖維的強(qiáng)度是有富裕的。正因?yàn)樘祭w維的這一優(yōu)勢成了結(jié)構(gòu)輕量化最青睞的材料，因此碳纖維的應(yīng)用對象主要是既有變形的約束，同時需要減重的結(jié)構(gòu)，二者缺一不可。因此碳纖維應(yīng)用的下一工業(yè)領(lǐng)域一定是有迫切輕量化需求的交通運(yùn)輸車輛結(jié)構(gòu)。

碳纖維的復(fù)合材料的另一優(yōu)勢是可設(shè)計(jì)性和適用于結(jié)構(gòu)整體化成型，前者可按其受力方向發(fā)揮其模量高的特性（各向同性材料無法實(shí)現(xiàn)），同時可通過材料設(shè)計(jì)（與不同樹脂及其他成分組合）實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化，同樣的材料重量可同時實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能和所需的功能（減振降噪等）；后者可大大減少結(jié)構(gòu)件的裝配成本（減少緊固件和裝配工作量）。綜上所述，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用對象除上述的同時具有變形與減重要求的結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)是那些原金屬結(jié)構(gòu)件成本中材料成本占比較小的結(jié)構(gòu)，這樣才有可能通過降低制造成本來容忍較高的材料成本。

碳纖維的優(yōu)勢還包括其具有優(yōu)越的抗疲勞和抗腐蝕性，對那些飽受疲勞與腐蝕威海帶來高昂維護(hù)成本與更換率高的結(jié)構(gòu)件，材料成本高也是可接受的選項(xiàng)。

當(dāng)前已獲得大量應(yīng)用的領(lǐng)域（除航空應(yīng)用外），如體育休閑、風(fēng)電葉片、建筑補(bǔ)強(qiáng)、壓力容器等，其復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與工藝基本定型（設(shè)計(jì)與工藝主動權(quán)基本上掌握在國外廠家手中），材料與制造成本的分配基本固化，國產(chǎn)碳纖維是否被用戶接受只能依靠國產(chǎn)碳纖維的性能與國外相當(dāng)和降低生產(chǎn)成本，別無他路。但面對尚未充分開發(fā)的交通運(yùn)輸車輛應(yīng)用，目前的現(xiàn)狀是交通運(yùn)輸車輛領(lǐng)域的用戶對復(fù)合材料不熟悉，缺乏動力和技術(shù)支持，進(jìn)展遲緩，如果國產(chǎn)碳纖維企業(yè)無所作為，只醉心于對碳纖維制造工藝的改進(jìn)和降成本，一種可能是遲遲無法實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，則國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化也遲遲無法實(shí)現(xiàn)；另一種可能是由國外首先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國產(chǎn)碳纖維仍然會像目前已大量應(yīng)用碳纖維的工業(yè)領(lǐng)域一樣，再一次只能進(jìn)行價格競爭。

CMH-17-3G《復(fù)合材料手冊》中指出：“并行工程，由設(shè)計(jì)師、應(yīng)力分析、材料和工藝、制造、質(zhì)量控制、后勤保障工程師（可靠性、維護(hù)性和生存性）以及成本估算師組成的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合、并行地研制新產(chǎn)品或新系統(tǒng)，現(xiàn)已成為公認(rèn)的設(shè)計(jì)方法。”碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開發(fā)特點(diǎn)和國內(nèi)下游工業(yè)領(lǐng)域用戶的現(xiàn)狀逼迫國產(chǎn)碳纖維在開發(fā)碳纖維應(yīng)用新領(lǐng)域方面必須有所作為?；谀壳霸谔祭w維原材料與制造工藝很難突破的現(xiàn)狀，國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路只能由國產(chǎn)碳纖維企業(yè)與下游用戶通過在設(shè)計(jì)和制造工藝方面的創(chuàng)新（甚至革命性突破），研發(fā)出該領(lǐng)域的低成本復(fù)合材料制品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，才能實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維的產(chǎn)業(yè)化。這條路必須依靠碳纖維的全產(chǎn)業(yè)鏈，這不是錢云寶個人的癡心妄想，也不是唐吉坷德式的笑談，而是破解國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化的一種無奈之舉。當(dāng)然錢云寶已經(jīng)走了，可能這將是前無古人后無來者的一種嘗試。但希望國家和有影響力的專家正視這一現(xiàn)實(shí)，在實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化路上，提出破解的良策。