一项1959年的实验室突破，如何改变全球碳纤维产业？

今天，碳纤维已经进入航空航天、汽车、储氢、风电、体育用品等多个领域。

波音787机身、一级方程式赛车底盘、高压储氢瓶、风力叶片、自行车车架和网球拍，看起来属于完全不同的产品，但它们背后都可以找到一种重要材料——聚丙烯腈基碳纤维，也就是PAN基碳纤维（PAN-based carbon fiber）。

这条技术路线的重要起点，可以追溯到1959年的日本。

当时，日本大阪工业技术试验所（Government Industrial Research Institute, Osaka，GIRIO）的研究人员进藤昭男博士（Dr. Akio Shindo）开发出以聚丙烯腈（PAN）作为前驱体制造碳纤维的方法，并于1959年9月提交专利申请。

六十多年后，PAN已经成为碳纤维工业最重要的前驱体体系之一。而当年参与这项技术产业化的东丽（Toray Industries），也在2026年迎来了成立100周年。

这段历史不仅是关于一种材料的发明，更展示了碳纤维如何从实验室研究逐渐走向工业化生产。

PAN碳纤维出现以前，碳纤维已经存在

碳纤维的历史其实远早于1959年。

19世纪末，Thomas Edison曾经通过碳化竹纤维制造早期电灯灯丝。不过，随着钨丝等材料得到应用，这条技术路线并没有发展成为今天意义上的高性能碳纤维产业。

到了20世纪50年代，美国Union Carbide的研究人员开始使用人造丝（rayon）作为前驱体制造现代碳纤维。

这种方法能够生产碳纤维，但存在一个明显的问题：碳收率较低。

根据相关历史资料，当时大约只有20%的人造丝最终能够转化为碳。

如何找到一种更加合适的前驱体，并提高碳化后的材料收率，成为当时碳纤维研究的重要问题之一。

1959年，进藤昭男开始研究PAN路线

进藤昭男1926年出生，并于1952年进入GIRIO从事碳材料研究。

1959年4月，他在日本工业报纸《Machine Design》的一篇短文中了解到美国正在进行的人造丝基碳纤维研究。

但他的注意力转向了另一种材料：

聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）。

当时，PAN并不是一个已经得到验证的碳纤维工业原料。相反，这种合成聚合物此前被认为加工难度较高。

进藤昭男随后开始研究PAN作为碳纤维前驱体的可能性。

到1959年9月，也就是大约五个月之后，他已经建立了一套可行的PAN基碳纤维制造方法。

为什么PAN成为重要突破？

与当时的人造丝路线相比，PAN表现出的一个重要优势是更高的碳收率。

资料显示，进藤昭男的PAN路线可以实现约50%-60%的碳收率，而人造丝路线约为20%。

从基本制造过程来看，需要首先将经过处理的PAN制成纤维，然后进行稳定化处理，再进入碳化阶段。

这里需要特别说明：原始资料将稳定化描述为约250°C，并将后续碳化描述为约1,000°C；但其同时使用了“air-exposed environment”的表述。工业PAN基碳纤维通常需要区分空气气氛下的稳定化/预氧化与后续惰性气氛碳化。因此，仅依据这份资料，不宜进一步把相关气氛条件写成确定的工业工艺参数。

真正重要的是，这条路线证明了PAN可以作为高性能碳纤维的重要前驱体。

随后，PAN基碳纤维逐渐成为全球碳纤维工业的核心技术路线。

从PAN原丝到碳纤维发生了什么？

从材料角度理解，PAN基碳纤维并不是简单地把PAN纤维“烧成黑色”。

它需要经历一系列结构变化。

基本路线可以概括为：

PAN聚合物

↓

PAN原丝（PAN precursor fiber）

↓

稳定化/预氧化

↓

碳化

↓

碳纤维

稳定化阶段的作用，是使PAN纤维形成能够承受后续高温处理的稳定结构。

之后再进行高温碳化，使材料中的非碳元素大量脱除，并逐渐形成以碳元素为主体的纤维结构。

在现代碳纤维工业中，原丝质量、稳定化和碳化工艺控制都会影响最终碳纤维性能。

因此，PAN precursor本身就是碳纤维产业链中非常关键的中间材料。

1959年的专利让实验室技术有机会进入工业体系

1959年9月7日，进藤昭男向日本特许厅（JPO）提交日本国内专利申请，之后又进行了国际申请。

这项技术最终于1962年获得日本专利，专利号为304892。

专利在这段碳纤维产业史中扮演了重要角色。

GIRIO是一家公共研究机构。研究成果如果只停留在实验室内部，并不会自然形成工业生产能力。

通过专利公开，企业可以了解到这项新技术；而通过正式授权，研究机构又能够把技术转移给具备工业制造能力的公司。

这实际上建立了一条非常清晰的路径：

公共科研 → 专利保护 → 技术授权 → 企业开发 → 工业化生产。

最初获得授权的并不是东丽

1963年，Tokai Electrode和Nippon Carbon成为GIRIO PAN碳纤维专利最早的两家授权企业。

两家公司都拥有碳材料方面的经验。

但问题在于，它们并不具备制造PAN纱线这一关键前驱体的能力。

对于PAN基碳纤维而言，这一点非常重要。

碳纤维生产不仅涉及后面的稳定化和碳化，前端PAN原丝本身同样是决定工业化能力的重要组成部分。

真正推动这项技术进一步规模化的企业随后出现。

1970年，东丽进入PAN碳纤维产业化阶段

1970年，东丽与GIRIO签订PAN碳纤维技术授权协议。

这一步具有特殊意义，因为东丽本身就是大型合成纤维制造企业，具备前驱体材料方面的生产基础。

事实上，东丽早在1961年就已经建立专门的碳纤维研究和制造设施。

获得GIRIO技术授权后，东丽又与Tokai Electrode和Nippon Carbon达成协议，通过支付特许权使用费获得两家公司此前积累的相关研发成果。

由此，前驱体制造能力、碳材料研究以及已有工艺经验进一步汇集。

1971年，东丽开始商业化生产碳纤维。

从1959年进藤昭男提交专利，到1971年实现商业生产，大约经历了12年。

高尔夫球杆意外推动碳纤维商业需求

碳纤维早期产业化并不完全是由航空航天推动的。

1972年10月，美国高尔夫球手Gay Brewer使用配备碳纤维杆身的球杆赢得Taiheiyo Club Masters比赛。

这一事件在日本获得大量媒体报道。

1973年，东丽推出碳纤维高尔夫球杆杆身。

市场需求很快超过供应能力。

到1974年底，东丽的碳纤维月产量已经增加到此前的两倍以上，同时进一步进入网球拍、钓鱼竿等体育休闲用品领域。

这段历史非常值得注意。

高性能材料的工业化并不一定首先依赖最大的结构应用市场。体育用品等相对较小的产品，同样可以成为新材料扩大生产规模、积累加工经验和建立市场需求的重要入口。

从体育用品走向航空航天

随着材料性能和制造能力不断发展，PAN基碳纤维逐渐进入要求更高的结构应用。

碳纤维具有较高的比强度和比刚度，因此特别适合对减重要求较高的结构。

当碳纤维进一步与环氧树脂等基体结合后，可以制造碳纤维增强复合材料（CFRP）。

其应用也从高尔夫球杆、钓鱼竿和网球拍逐步扩展至航空航天、汽车、压力容器、风电和其他工业领域。

今天，PAN基碳纤维已经可以应用于波音787等航空结构，也可以用于高压储氢瓶、汽车结构以及风电等领域。

这与1959年实验室中的PAN研究已经相隔六十多年。

东丽从人造丝企业发展到全球碳纤维供应商

2026年4月，东丽迎来成立100周年。

公司成立于1926年，最初是一家以人造丝纱线为主要产品的企业。

经过一个世纪发展，其业务已经覆盖纤维与纺织品、树脂与化学品、薄膜、电子信息材料、碳纤维复合材料、医药医疗以及水处理膜等多个领域。

其中，TORAYCA已经成为东丽碳纤维业务的重要产品体系。

根据原始资料，截至2025年，东丽集团普通丝束和大丝束碳纤维综合产能接近每年58,000吨，生产布局覆盖日本、美国、法国和韩国等地区。

东丽集团旗下还包括面向工业大丝束碳纤维市场的Zoltek，以及从事先进复合材料业务的Toray Advanced Composites。

日本由此形成重要的碳纤维产业基础

PAN碳纤维的产业化并没有止步于一家企业。

日本后来形成了具有全球影响力的碳纤维产业体系，除了东丽之外，还包括Teijin的Tenax碳纤维以及Mitsubishi Chemical Group的PYROFIL碳纤维等。

如果回到1959年，这种产业规模很难从一项实验室研究中直接预见。

但进藤昭男的工作解决了一个非常基础的问题：

什么材料可以成为高性能碳纤维的有效前驱体？

PAN给出了一个后来被工业界大规模采用的答案。

一项材料突破真正改变产业，需要的不只是实验室成果

回顾PAN基碳纤维的发展历史，可以看到一条完整的技术产业化路径。

1959年，进藤昭男建立PAN基碳纤维制造方法并申请专利。

1962年，相关日本专利获得授权。

1963年，技术开始授权给日本企业。

1970年，东丽获得技术授权。

1971年，东丽开始商业化生产。

随后，高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿等消费产品扩大了碳纤维的早期市场，而航空航天和工业应用则进一步推动材料向高性能结构领域发展。

所以，1959年的突破真正留下的并不只是一项专利。

它建立了一条后来影响全球碳纤维工业的重要技术路线——以PAN为前驱体，通过稳定化和碳化制造高性能碳纤维，再进一步进入CFRP及各种先进复合材料结构。

六十多年以后，这条路线仍然存在于现代碳纤维产业的核心位置。