日本碳纤维霸主的辉煌成就：多棒交接

日本碳纤维在1959年代起步，仅仅用了二十年的时间，成为这个领域的强国，并且牢牢守住了这个阵地。而同样的时间，也正是中国碳纤维起步发展的尝试。屡战屡败的结果表明，中国的产业似乎游离了这个市场。多年以后，这个僵局才被中国的民营企业陆续打破。

在当下的碳纤维领域，日本是世界上最大的制造商，满足全球70%的需求。

根据《纺织导报》在今年4月《世界纺织版图与产业发展新格局——日本篇》的介绍中，可以看到各个国家的对比

图1：高性能和高功能纤维的国家对比

（来源：日本化学纤维协会）

那么，日本如何完成了一个不可能的使命：从高性能碳纤维产业的零起步，发展到强势的霸主地位？

个人英雄主义

碳纤维的发展，需要从碳丝的故事说起。碳丝曾经被用于电灯泡，但一直也不太顺利，爱迪生在使用了镍、铂(白金)、铂铱合金等1,600种不同的耐热材料，最后又回到了碳丝。那是电力时代最有魅力的产品，电灯泡自身就是电力时代最好的广告。爱迪生的个人英雄的形象，就此彻底留在了闪亮的世界，光耀至今。二十多年后，1904年碳丝灯泡，终于被钨丝彻底替代，从此沉寂一时。

到了1950年，碳丝的应用被重新提上日程。生产灯泡线束的美国联合碳公司（UCC），在二战后又重新捡起了这个几乎被遗忘的话题。因为碳的熔点很高，只有4000度才肯屈服，因此无法将其熔纺成纤维，而只能采用碳化有机纤维的方式来制备碳纤维。这种用于碳化的有机纤维，被称为碳纤维的前驱体。1958年，UCC发明当时最有前景的人造丝基的碳纤维，碳转化率也只有20%，大规模的商业化似乎仍然是遥不可及。

在日本，通产省（如今经产省）的大阪国家工业研究所（GIRIO）的研究人员发现了美国人放弃的机会。变化发生在1959年，美国联合碳公司关于碳纤维最新进展的一条消息，激发了近藤昭男博士的斗志。他迅速行动起来，从商店收集了各种纺织物的布头，进行实验。终于从杜邦公司的一种聚丙烯腈纤维(PAN基)找到一种潜在候选物，这是最早发现的PAN基碳纤维。而且碳转化率达到50-60%，这基本上奠定了碳纤维产业化的基础。

1959年9月，近藤提交了PAN基碳纤维制备工艺的专利申请。

这个时间，离他正式加入大阪研究所的第一碳材料研究室，已经过去了7年。那七年，他似乎是“不知所以”中度过的，从事过各种高密度碳制品的研究。而然这一刹那，突然找到合适的方向，多年的积累一朝用上，不能不说，这也是研究者的幸运。

迎接这样一个划时代的专利，并没有立刻的掌声和鲜花。而随着碳纤维商业化的确认，近藤的个人英雄形象，被逐渐强化。1977年，近藤被授予日本化学会技术开发奖，而政府则给予了四级褒章。

过了20年，直到1996年，日本政府重新授予他四级瑞宝勋章。

又过了20年，日本技术与经济协会会长特别奖，授予给他。

一次一次的奖励，彰显了日本碳纤维的强国地位背后，个人英雄主义的力量。

大院大所的胸怀

个人英雄主义，是要有土壤的。大阪工业所（1993年更名为大阪国立研究所ONRI）就提供了自由自在的研究者的乐园。

大阪工业技术试验所非常重视创新研究、知识产权保护和专利转让。当时对于基础研究的氛围非常自由，科学家可以依照兴趣自由选择课题；也允许有潜力的实用技术，申请专利。

在开发PAN碳纤维时，大阪所还没有正式的商业化、许可证或技术转让政策，——尽管它整体的目标，就是通过研发来促进工业技术的发展。届时，许多日本公司开始建立自己的研究实验室，并利用大阪工艺所提供的自由和非正式的信息交流渠道，试图获得新产品的新想法。而这种随意的技术转让氛围，使得大阪工业所的许多研究，都指向了商业转化。

1958年新任所长强调知识产权的权利，大力鼓励个人研发的政策。这也使得该所的专利申请数量明显增多。几年之后，大阪工业所甚至专门成立了技术咨询办公室，负责与企业合作开展技术转让。

在当时，大阪所的科研项目也分为普通和重点两类，资助额完全不同。在5月近藤开始着手研究碳纤维的时候，这个项目还是一个普通项目；但该项目被迅速归为“重点”类。一时间，近藤组建了十多人的研究团队。而到了9月，制备碳纤维的工艺，已经基本有了眉目。

这其实离不开大阪工业所多年带来的基础工作和完备的人才积累。自成立以来，碳制品一直是大阪所研发活动的支柱之一。第二次世界大战后不久，它的碳研究与开发集中在提高碳产品密度和为核反应堆生产碳材料。宽松的学术研究环境，开放性地支撑行业，成为日本产业界迅速崛起的重要力量。

企业家精神登场

在申请了PAN基碳纤维的专利之后，大阪工业研究所有两种选择，一种是自己成立商业公司，自行进行转化；一种是对企业进行授权，实行联合创新。

近藤选择了后者。其实这并不是孤例，在当时，通过与已经成立的公司签订许可协议来转移技术，从而帮助刺激日本经济，一直都被认为是更好的选择。只有这样，研发工作才能尽快转化为具有现实世界应用的产品。

企业技术人员开始加入大阪工业所的队伍中来，一起进行合作转化，寻找PAN基碳纤维技术的产业化之路。当时的东海电极公司和日本碳素公司，都有丰富的碳材料的生产技术。1959年在获得了大阪所的非排他性授权之后，二者纷纷投入资金开始进入这个市场。

看到苗头、研发突破、专利申请、授权、企业加入开发，这些事件以闪电般的速度，全部发生在同一年。1959年是PAN基碳纤维最值得记忆的里程碑一年。不仅仅是个人英雄主义的胜利，更是技术授权与转让的创新转化的胜利。

有了专利授权，整个产业才有了希望的种子。而研究所与企业的联合研发，则使得共性技术有了用武之地。

然而，产业却开了一个大玩笑。对于东海电极和日本碳素公司，他们的冒险进入PAN碳纤维的发展没有像他们所希望的那样立即成功。

直到1968年东海碳素才开始商业化生产；1969年日本碳素公司月产500kg碳纤维的中试装置才投产。虽然两家公司都有丰富的碳纤维生产经验，但它们都不具备生产PAN碳纤维纺纱的能力，而这是必不可少的。

在得到近藤的消息之后，日本最大的化纤工业东丽，也开始瞄准了这块市场。1961年建立了小试装置，东丽开辟了一个新的碳纤维研究和制造设施，进行寻找PAN基碳纤维的前驱体纤维的探索。

值得纪念的是，这年进军第四代碳纤维的时候，也正是东丽基础实验室正式开张的一年。东丽董事长期望这个实验室，可以聚焦在未来二十年的课题研究上，鼓励企业科学家自由发挥、独立科研之路。

然而，产业之路并不顺利，跟另外两家先驱一样，东丽的路也不平顺。一条新的蓝海在进入视野之前，对于所有的开拓者，都是同样的苛刻。1967年，英国的罗罗发动机首次透露，准备把增强型碳纤维材料用于制造喷气式发动机的风扇叶片。然而这款充满高科技的发动机花费巨大，开发周期严重拉长，而测试结果却不尽如人意。洛克希德公司随后取消了该发动机的300台订单，投入巨资的罗罗公司血本无归，只能破产收归英国国有。自此，罗罗也剥离并彻底放弃了碳纤维业务。英国的碳纤维业务昙花一现。同样，美国杜邦和德国巴斯夫等也曾经想要开发碳纤维，但因为亏损的缘故，都没有坚持下来。

好在日本东丽在新单体和共聚工艺上，取得了一些意外的突破。发展碳纤维，像是要创立新菜谱的大厨师：既要找到合适的食材，还有找到合适的蒸锅。经过多年积累，东丽终于在基础聚合物研究和设备制备工艺上，取得双重突破。尽管找到了前驱体的合适材料，但要制备PAN基碳纤维的碳化技术，仍然需要近藤的专利授权。

那时，备受挫折的东丽，商业计划仍然是要成为全球领先的PAN碳纤维。但是要做到这一点，东丽决定改变单打独斗的局面。1970年，东丽做出了一个复杂的技术组合战略，三箭齐发。一是终于做出了一个迟到的决定，获得了大阪技术所近藤博士的专利授权，开发自己的改进；二是与另外正在陷入泥潭的两家公司达成了一项协议，在该协议中，他们将把PAN碳纤维商业化的额外研发成果出售给东丽，以换取特许权使用费，相当于并购了东海碳素和日本碳素公司探索十年的技术；三是与美国联合碳公司UCC，实现交叉授权制造能力。

只有企业家的随机发挥，赌徒般的执着，才可能完成这样的战略调整。而碳纤维的技术，则是一棒、一棒，交到了企业家的手中——企业家，才是毋庸置疑的创新舵手。

第二年，东丽月产1吨碳纤维的中试线开始运转。商业化的大门，已经缓缓开启。一个科学家、一份专利、一家院所、三四家顶级公司的研发投入，终于在专利发布的十二年之后，走向商业化的正轨。

市场才是大救星

高强度碳纤维的市场在哪里？这是一个带着“高科技”光环的的新生儿的尴尬。碳纤维的制备，成本高昂，使得它的应用只能在军方用户。然而军队的用量，完全不具备降低成本的规模。这可以说这是军用技术民用化的常见困境。

技术引领市场，市场激活技术，是一个交叉启发的作用。2010年彻底颠覆手机产业的革命性产品苹果iPhone4，采用了玻璃屏的技术，改变了既往使用塑料壳的历史；而这种应用，则把这项已经沉淀了十六年年的玻璃盖板屏幕技术，重新激活，也带动了整个玻璃加工设备的市场。

东丽必须弄清楚如何将该产品转化为具有更广泛的商业应用的产品，它在防弹背心、钓鱼线、系泊绳、手套等领域，做了各种尝试，但这些都无法形成足够大的用量。

这一切在1972年10月发生了变化，当时来自美国的职业高尔夫球手赢得了当时日本最负盛名的高尔夫球锦标赛。媒体广泛报道，该冠军赢得大赛的秘诀是他使用了特殊的碳纤维高尔夫球杆，而这是由美国初创企业Aldia制造的碳纤维球杆。

这开始了碳纤维基产品的繁荣。东丽在1973年发起了PAN碳纤维高尔夫球杆制造计划。高尔夫球杆变成碳纤维的黄金市场，一举获得成功。随后钓鱼竿等休闲与体育用品陆续被激活，成为迅速放大的下游市场。高强度碳纤维突然有了广泛的用武之地，东丽公司每月5吨的工厂已满负荷。而到了1974年年底，东丽每月生产13吨，该公司已将产品线扩展到其他运动设备，如网球拍和钓鱼竿。

PAN基碳纤维市场，变得炙手可热。而东丽，则牢牢地确立了作为世界领先的优质PAN基碳纤维供应商的地位。

1976年最大的黑马市场出现了。这次是飞机。

1973年的石油危机，导致美国石油价格暴涨，全面地改变了美国工业的面貌。多年来一直苦苦围攻美国汽车市场的日本节能车，一夜间成为抢手货。同样的影响，发生在航空领域。美国航空航天局NASA牵头制定了著名的飞机节能计划ACEE（Aircraft Energy Efficiency），前后执行了10年，国内各大飞机公司几乎全部参加，降低飞机重量，以应对原油价格的不断上涨。这项节能飞机计划采用了东丽的高强碳纤维T300。在1982年，波音757、767和空中客车A 310飞机，使用T 300了部件进行处女航。而哥伦比亚号航天飞机使用T 300作为货运门，发射升空。乘胜追击的东丽在美国建立了复合材料公司，主要为波音777商用机生产预浸料。

从上个世纪90年代开始，高强度碳纤维成为飞机的重要构成材料。东丽的高强中模T800S碳纤维，已经成为A380的主要受力构件。而在2004年，更是与波音签订合同，为787提供排他性的东丽品牌的预浸料。2011年梦幻飞机787开始运营，它的碳纤维复材达到了飞机结构重量惊人的50%。

到了今天，马斯克一鸣惊人、再鸣惊人的SpaceX，背后正是东丽提供碳纤维材料；而在氢燃料电池领域，日本可不是只有丰田、日产这些汽车制造商在往前冲。尾随其后的则是三菱、东丽的增强型碳纤维CFRP，为氢瓶提供可靠的材料保障，他们最新俘获的行业粉丝正是美国IV型氢瓶生产商 Hexagon Lincoln等厂家。

这是一个产业链条的整体挥舞。真的是“链条”，每个节点各司其职。

政府的作用

日本标准组织随之跟上，半步都没有拉下。1975年开始，日本就瞄准了PAN基碳纤维技术的标准化研究与制订。1980年日本颁布实施了碳纤维性能检测方法标准，既为PAN基高性能碳纤维批量生产和应用搭建了技术准则，同时也控制了技术发展和市场竞争的主动权，大大提升了日本碳纤维产业界的竞争力。而1977年日本碳纤维讨论小组本来是作为碳纤维制造商的工业团体成立的，在1988年该讨论小组扩大并更名为日本碳纤维制造商协会（2014年7月并在日本化纤协会）。

而日本政府则积极营造出一种和平、奋进的社会环境，鼓励基础研究与产业界的应用相结合，实施“产学官”等创新政策，引导全社会为经济复苏做贡献。东丽则一直在承担政府的项目。2003年以来政府科技项目“全球变暖技术”和“可持续性材料”计划，使得东丽可以研究CFRP如何大规模用在汽车零部件上。随后2009年，东丽在汽车底盘前底板的技术，获得了巨大的成就。

图2：齐头并进的进展

而根据《纺织导报》2019年4月最新文章表明，日本政府在包括“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”和“京都议定书”等多项政策中，高性能碳纤维也是重点关照领域。日本经产省、日本最大的国立研发机构NEDO都全力扶持。

日本政府的产业扶持

除了这些中央政府的政策和财政支持外，最近几年，日本地方区政府也加紧了传统纺织产业的转型。转型方向，正是碳纤维！北方地区的石川县和福井县有很多纺织产业相关企业和团体，是日本屈指可数的纺织产业集群。石川县通过政府的大型研究开发资助，持续提供各种基金项目，大力鼓励纺织产业向碳纤维复合材料转型。通过引进碳纤维这一新技术，努力实现产业的升级转换。2015年福井县的两家公司与县外大型企业共同开发的碳纤维复合材料产品，被作为航空发动机零部件，成为全日本的焦点新闻。

日本碳纤维的功臣近藤博士在2016年发表的文章中，高度赞扬了日本政府在促进碳纤维技术进步和产业发展中发挥的作用。

顺便说一下中国

与很多人想象的不一样，中国碳纤维产业几乎与日本同步启动。就在近藤博士申请专利后的第三年，也就是1962年，中科院长春应用化学所的李仍元任组长的“Pan基碳纤维的研制”课题开始启动。阴差阳错，李仍元没有成为近藤博士那样的英雄。

中国碳纤维从60年初开始，但进展一直不大。由于这是禁运产品，国际一直对中国严加封锁。后来勉强通过英国一家公司的两套设备，北京和吉林两个项目共耗资900万美元左右， 前后挣扎了近10年后无疾而终。单纯引进设备、放弃研发的思路，不仅仅完全失败，而且浪费了大量的时间。

1975年在张爱萍将军的倡导下，11月在北京举行了第一次全国碳纤维会议（7511会议），随后制定了中国第一个碳纤维发展研究计划。然而，规划周密，落实乏力。20多家研究所和企业共同攻关，算是解决了有无的问题。但这批产品力学性能差距不小，成本上则明显偏高。然而这20多家院所，却选择了PAN基碳纤维原丝的三路工艺路线，形成三种分散的力量，如同当年太平天国盲目的北伐、西进的队伍，分头进军，结果自然是分头夭折。1975年到1990年，正是国外碳纤维高速发展的十年，而国内却在东张西望的动摇中，葬送了最好的起步期。

二十世纪末的最后十年，日本产业界开始狂歌猛进的时代，中国的碳纤维产业却几乎被清了零。中国军民两用技术的一次攻关大会师，起了一个大早，赶了一个晚集。北京中科院化学所原副所长吴仁杰先生对此曾经说过一句话，“我们就像一个醒来的人，打哈欠，伸懒腰，总也起不来床”。这种“起不来床、下不了地”的感觉，对那些长期从业者，恐怕成为多年心底上的一种隐痛。而中国再一次确立碳纤维的国家地位，还是来自师昌绪院士的大力呼吁。到了2005年，碳纤维项目终于被批准为国家重大基础研究项目。此一刻，这离日本产业上下一心推动碳纤维的发展的1971年，已经过去了34年；而离7511会议，则正好30年。这一年，师院士密切关注和支持的威海光威研制的T300级碳纤维通过了“863”计划验收，这标志着中国首次拥有了自己的产业化碳纤维。而中复神鹰等一些国内企业的发展，使得国外对华的多年封锁铁板，终于出现了一个小洞，卡脖子处终于透开一口气。

五位一体才是举国体制

回顾日本碳纤维六十年的发展史，像是观看一部有头有尾的剧情片。在一个高科技创新的市场，个人英雄主义的辉光，是要得到高度保护的；共性技术的院所，成为容纳英雄主义的殿堂，不拘一格的技术转让机制，成为制造创新的最好摇篮；永远相信企业家精神，所有的创新最终是由企业家最终得以转化；市场可以进行设计和培育，它会引发技术的爆发，军民融合的关键在于军方是否真能让出一块市场；而政府，则需要包容体制，推动“产学官”的“产”字当头。

五位一体，方是新型举国体制的要义。

作 者：林雪萍（南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司总经理）

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