本报记者 原诗萌
碳纤维等FRP在土木工程中的应用，为我国碳纤维应用的发展探索出一条新路径，即依靠应用端的发展，来带动整个材料的产业化。
图片来源：土木商易宝
在今年1月举行的国家科技奖励大会上，中冶建筑研究总院作为第一完成单位完成的“土木工程用高性能纤维复合材料制备及应用关键技术”荣获国家科技进步奖二等奖。
据了解，高性能纤维复合材料（简称FRP）具有轻质、高强、耐腐、可设计等优点，可显著提高土木工程结构的性能，延长其使用寿命。而上述奖项的颁发，也让作为高性能纤维复合材料之一的碳纤维，再次进入人们关注的视野。
中冶建筑研究总院院长岳清瑞在近日举行的一次学术交流会上指出，从我国碳纤维的应用来看，航空领域市场尚未打开，能源领域尚未形成稳定市场，体育休闲领域对成本要求很高。而在土木工程领域，据统计，国产碳纤维每年有40%用于结构的加固和补强上，因此是重要的应用方向。
发展困境
据相关市场研究机构数字，2015年前，全球碳纤维市场需求将保持13%的增长，我国对碳纤维的需求增速则快于全球。预测到2015年，我国碳纤维总体需求将达1.6万吨。
事实上，从研发角度看，我国碳纤维的起步并不晚。早在20世纪60年代，中科院长春应化所便率先开始聚丙烯腈基碳纤维的研究，并于上世纪70年代初完成了连续化中试装置。此后，中科院山西煤炭化学研究所、北京化工大学等也开始了相关研究。
产业化方面，进入21世纪后，国产碳纤维发展开始加速，产能大幅提高。2012年，我国已有30多家企业从事碳纤维的研发和生产，建成产能已经突破1万吨。此外，国内还有大量的在建和规划建设的碳纤维生产线。
不过在赛迪方略总部经济研究中心总经理冀志宏看来，国内碳纤维项目遍地开花背后，也存在着不少问题。
首先是产能利用率低。虽然国内的建成产能已经突破1万吨，但实际产量仅为2000吨左右，产能利用率仅有0.2%。而国际上大多数企业的产能利用率为0.7%~0.9%。
冀志宏指出，国内碳纤维生产线产能利用率低，并不是因为下游市场需求不足，而是因为难以生产出合格的产品。
他进一步指出，生产碳纤维工序复杂，从聚合、纺丝，到氧化、碳化、表面处理等，任何一个生产环节出了问题，都可能影响碳纤维的性能。“国产原丝大多杂质含量高、质量稳定性差、变异系数大，没有好的原料，怎么生产出好的产品？”
其次，我国碳纤维在高端产品方面也有待突破。冀志宏指出，以占碳纤维产量90%以上的丙烯腈基碳纤维为例，在世界范围内，工业应用和体育休闲的比例分别为75.7%和24.3%，而在中国，这个比例却分别是20%和80%。
此外，冀志宏认为，国内碳纤维产业缺乏完善、权威的评价体系，这也是制约国产碳纤维发展的原因之一。
寻找突破点
在上述背景下，虽然我国近年来碳纤维产能快速扩张，但大多为相对低品质的产品，与国外相比差距明显，因此这种产能的扩张，也在一定程度上加剧了碳纤维的结构性过剩。
在岳清瑞看来，碳纤维在土木工程领域的应用，有望改变上述局面。他指出，与航空、能源和体育休闲领域相比，碳纤维在土木工程领域的应用更具前景。
而岳清瑞也带领自己的团队与其他高校合作，对碳纤维在土木工程领域的应用进行了一系列的探索，并开发出板材、筋材、布材等产品。
同时，由于碳纤维的特点是强度较高，延伸性较差，岳清瑞和其团队便尝试将碳纤维和其他纤维混合，增加材料的断裂延伸率。
“混杂纤维可以充分发挥不同纤维的优势，扬长避短，在提高结构延伸性、耗能能力和变形恢复能力等方面有可能优于单一品种的纤维，且降低成本。”岳清瑞说。
在岳清瑞看来，碳纤维等FRP的一个重要领域就是结构加固和改造。比如，可以将纤维网格型材固定于混凝土构件表面，然后喷射或手工镘抹聚合物水泥砂浆与原有混凝土一体化，从而提高结构的承载能力及耐久性。
碳纤维另一个重要应用方向是海洋（海港）环境。当前我国正着力开发海洋资源，将FRP和混凝土组合，则能有效解决开发过程中防止海水腐蚀这一重要问题。
以应用带动产业化
碳纤维等FRP在土木工程中的应用，也为我国碳纤维应用的发展探索出一条新路径，即依靠应用端的发展，来带动整个材料的产业化。
“此次中冶建研总院的突破值得肯定，这不仅标志着我国科技研发实力的大幅提升，还有助于带动碳纤维产业科研攻关、设备制造等工作的有效开展。”中投顾问高级研究员贺在华对《中国科学报》记者指出。
事实上，我国发展碳纤维的思路也正在发生转变。“以前国家主要支持碳纤维产品的生产，现在则更支持应用的发展，希望把应用领域做大之后，反过来促进生产企业的发展。”岳清瑞说。
此外，碳纤维机器复合材料产业技术创新战略联盟也于2013年10月被科技部纳入国家产业技术创新战略试点联盟。在2013年12月该联盟举行的第一届理事会上，工信部高新司副司长胡世辉指出，联盟要以提高国产碳纤维竞争力为己任，将市场需求作为指定行业发展战略的重要参考，以市场为导向，结合产学研力量，围绕共性关键问题，组织全行业力量推动国产碳纤维行业的技术创新。
冀志宏也充分强调了碳纤维产品与应用的衔接。他指出，碳纤维上下游产业关联度非常紧密，比如要开发一个碳纤维下游的新产品，光靠碳纤维生产商很难完成。因此，政府要充分发挥协调配置能力，通过联盟等行业组织，围绕下游产业发展重点，构建产、学、研、用多方面协调发展的完整产业链。
贺在华则认为，各项扶持政策亟须制定并落实到位。“土地、税收、补贴、电价、科研等政策若能及时实施，企业进行科研创新的积极性便会被调动起来。”
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