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碳纖維40年:國際封鎖下的艱難攻關

從上個世紀60年代開始,尤其是改革開放40年以來,曆經三四代人的共同攻關,國産碳纖維終于實現了從無到有的突破。在國外技術封鎖的艱難環境下,我們不斷創新,舉全國之力攻克了碳纖維制備的關鍵技術,在航空航天、軍工等特定領域打破了國外對碳纖維的壟斷。

改革開放40年後,碳纖維進入一個新的發展階段。它正在從“能用”向“好用”和“用得起”的階段繼續攻關。

久攻不克

碳纖維(CF)是一種含碳量在93%以上的高強度、高模量新型纖維材料。由于它最早應用在航空航天、軍工等領域,是國家戰略性新興材料之一。國外一直對我國禁運高端碳纖維。自“十五”以來,因涉及國防安全,碳纖維被列為國家重點發展的新材料,國家給予高度重視。近年來,随着碳纖維制備關鍵技術的不斷突破,其應用領域逐漸擴展到體育休閑、風力發電、汽車輕量化等領域。

《經濟》記者采訪多位在一線攻關的科研人員後,深深地感受到他們對碳纖維技術攻關的锲而不舍和令人肅然起敬的國家情懷。

“沒有10年的卧薪嘗膽,做不出來高性能碳纖維。”山東大學材料學院高分子材料研究所所長、山東省碳纖維工程技術研究中心副主任朱波這樣告訴《經濟》記者。

“1966-1976 年間,科學家們曾研究過酚醛、苯酚甲醛、呋喃類樹脂、聚萘乙酸……聚乙烯醇和聚醋酸乙烯酯等20多種有機物,但它們都沒有作為碳纖維前驅體的商業開發價值。”軍事科學院系統工程研究院的周宏在《日本碳纖維技術發展史研究》一文中有這樣的描述。我們從中能感覺到,尋找高性能碳纖維的制備方法曾讓全世界的科學家、科研人員“抓狂”。

“碳纖維的研究起源于日本、美國,英國的科研人員通過工藝創新,賦予了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維(以下簡稱‘PAN基碳纖維’)優異的力學性能。作為一種新的材料研究,啟發了中國的科研人員,跟着開始研究,但那時的科研并不在國家統一規劃和管理下,更多的是自由分散式的。”北京化工大學材料科學與工程學院副院長、國家碳纖維工程技術研究中心主任徐樑華這樣告訴《經濟》記者。

據資料顯示,美國人曾嘗試使用它制備高模量碳纖維,但沒有成功。日本的進藤昭男抓住了美國人留下的這一機遇并取得了成功。1959 年9 月,進藤昭男向日本專利局提出了一項PAN基碳纖維生産工藝技術的專利申請。

1970年6月,日本東麗公司獲得了大阪工業技術試驗所的專利授權,并收購了東海碳素公司和日本碳素公司的相關生産技術,經過一系列小試、中試,于次年制備出了高性能PAN基碳纖維。時至今日,它依然是世界領先的碳纖維公司。

值得注意的是,PAN基碳纖維從實驗室到東麗公司規模化生産也經曆了漫長的12年。

“上個世紀70年代,我們隻落後日本三四年。我們下了很大功夫。到80年代,日本碳纖維突飛猛進。90年代以後,美國在碳纖維推廣應用上進展飛速。但這段時間,我們在碳纖維應用方面的進展較少。”中國科學院山西煤炭化學研究所一位科研人員這樣告訴《經濟》記者。

在回顧上個世紀70年代國外的碳纖維發展情況之後,我國在當時也發生了一個标志性的事件。1975年11月,時任國防科工委主任的張愛萍将軍主持的“7511”會議上,确定PAN碳纖維為戰略核武器的關鍵材料,組織了全國力量進行科技攻關。“7511”會議是中國碳纖維行業的一次标志性會議,也标志着碳纖維的科研工作被納入國家統一規劃。

不過,當時我們面臨的困難也不少。外因有國外的技術封鎖,内因主要是由于中國部委制分割過細,把碳纖維這一集成的技術,分割到各個部委去抓,導緻科研效果不佳。

由于種種原因,“7511”會議之後的20多年裡,中國碳纖維行業一直找不到一個有序發展的技術途徑。我國有各種技術路線,但都不是頂尖的。那段時期,代表中國碳纖維水平的是吉林石化的硝酸法原絲制備工藝,但它也有明顯的缺點,比如在工程放大的時候,它隻能在低溫下操作,否則容易爆炸,而且硝酸腐蝕性強,碳纖維的性能波動較大,産能也十分有限。

很長一段時間,碳纖維行業都徘徊在沉寂期裡。科研人員依然默默付出,因為他們一直鉚足勁,希望終有一日中國的碳纖維能夠超越日本。

曙光與攻克

1999年,南斯拉夫科索沃戰争爆發。這是在以美國為首的北約的推動下發生的一場高技術局部戰争。國内專家意識到,作為重要軍事武器的原材料碳纖維的重要性以及研制高性能碳纖維的緊迫性。

在2000年前後,一方面,國際封鎖嚴酷,碳纖維奇缺;另一方面,國産碳纖維的性能不穩定,無法滿足軍方要求。在這種情況下,戰略科學家、兩院院士師昌緒先生提出要自主發展碳纖維。

曾經從事碳纖維管理工作的李克健撰文回憶那段曆史:“2001年1月,師昌緒先生給江澤民主席寫了‘關于加速開發高性能碳纖維的請示報告’,報告批轉到了國家計委和科技部等部門。此舉産生較大反響,對以後的經費落實起到了決定性影響。”

2002年,科技部設立國家863計劃的碳纖維關鍵技術專項——304專項,撥款1億元,集中資源、瞄準技術關鍵開展集約攻關。業内人士普遍認為,如果沒有國家大力支持,碳纖維技術發展不了這麼快。

“當時的形勢很嚴峻。為了盡快做出碳纖維,科技部在設立研發項目的同時,成立了測試專家組,每3個月到攻關單位現場抽樣一次,送第三方檢驗進行盲測盲評。科技部設立信息搜集專項課題,收集彙總全世界的碳纖維及原絲相關知識産權信息,給碳纖維及其原絲研發提供了強有力的支撐。”朱波回憶說。

在原化學工業部和科技部立項支持下,北京化工大學于2000年突破了二甲基亞砜法原絲工藝。“當時我們在實驗室階段,突破了一個與東麗公司類似的技術,盡管工藝有些粗糙,但增強了我們的信心。後來吉林石化以此為依據開始了工程化技術研究,原來的硝酸法被二甲基亞砜法替代了。”徐樑華回憶說。

其實,科研人員很清楚,實驗室階段離産業化還有很長的距離。在采訪過程中,幾位專家都不約而同地提到了科工委的“一條龍”項目管理流程發揮了重要作用。2005年,國防科工委(現為國家國防科技工業局)提出把碳纖維研究從技術推動變成需求牽引的“一條龍”項目管理流程。徐樑華向記者解釋,這促使碳纖維人轉變了思維和理念。“研制生産碳纖維是為了某種領域應用而服務的,碳纖維人應該站在應用的角度審視碳纖維的制備,這對碳纖維的發展起到了至關重要的作用。碳纖維技術研發‘一條龍’模式的示範意義很大,以後國内關鍵材料的發展都采用了這一模式。”

從2000年到2005年是碳纖維打基礎的階段。一方面,繼續高性能化的技術研發,突破了碳纖維T700的制備工藝,同時關注碳纖維的工程化技術研究。2005年,碳纖維T300率先完成了工程化條件建設和基本工藝突破,應用牽引的一條龍研究模式得以有條件實施。到2008年,宇航級的碳纖維T300實現了國産化保障。這也意味着,國産碳纖維在特定領域的應用可以替代進口了。

2009年,國内很多單位都上線了碳纖維。當年有20多家企業具備碳纖維T300系列的生産能力。但是日本采取了降價傾銷策略,碳纖維T300開始大幅降價,對我國碳纖維企業造成了嚴重的打擊。

“日本東麗公司于1969年實現了T300碳纖維的規模化生産,1986年實現了T1000碳纖維的産業化生産,一線科研專家清楚地知道我們與國外的差距。國家多個部委從‘十五’到‘十二五’連續設立專項支持碳纖維發展,我國碳纖維研究人員和企業家不負衆望,在國家總體投資不大的前提下,光威拓展、中複神鷹、丹陽恒神、吉林碳谷等幾家基礎條件好的企業實現了通用碳纖維的規模化生産。”朱波這樣告訴記者。

2015年以後,國家相關專項已從“碳纖維關鍵技術專項”更名為“高性能纖維及複合材料重點專項”,将碳纖維産業鍊進行延伸。直到現在,我國仍将高性能碳纖維視為重點發展的新材料。

從總體來看,碳纖維行業的基礎建立在計劃經濟時代。正是由于國家意志和财政資金的支持,以及民營資本的介入,才共同支撐起碳纖維行業的發展。

攻關仍在路上

從碳纖維的發展曆程來看,我們發現國家的引導和總體戰略部署對碳纖維行業的發展起到至關重要的作用。同時,立足自主研發是永遠不變的主題。

“在‘十五’期間,‘863’碳纖維項目的驗收十分嚴苛。當時有3個單位承擔課題攻關,科技部專門成立測試組。在測試時,由第一撥測試小組人員直接到現場取樣,多家取樣、标記編号之後,徹底打亂次序,統一由第二撥人員送到指定的檢測單位。在送檢的樣品中,再混上日本的碳纖維,同樣打亂編号,統一檢測後,再根據測試号對出是哪家單位的原絲和碳纖維,最後才公布結果。到現在來看,這種競争模式,讓碳纖維的研發基礎打得很牢固。”朱波回憶說。

在碳纖維發展過程中,最值得稱頌與弘揚的是科研人員的拼搏精神。他們沒日沒夜地加油幹。教授、專家與工程人員、技術人員到一線幹活。高校、研究機構、企業聯動,如同一家人一樣共同申請課題搞科研。大家始終撇開個人利益,秉持國家情懷,将技術和産業化攻關放在首位。而這些都是碳纖維成功的寶貴經驗。

然而,我們仍要看到國産碳纖維與國外的差距。如果與日本對标,目前國産碳纖維在核心技術、産業化水平的穩定性上仍與國外有不小的差距。尤其是我們還不能生産高強高模系列碳纖維。核心配方、核心裝備、核心工藝、核心輔料等方面均是制約因素。舉例來說,制備高強高模碳纖維需要石墨化爐,石墨化爐溫度要達到2800°以上,但國内受爐體原材料限制導緻高溫裝備性能不穩定,而且這些材料國外對我們是禁運的。未來,高性能碳纖維的攻關仍要突破諸多難題,也需要國家持續的支持。

“現在我們已經生産出能用的碳纖維了,下一步,我們要向‘好用’和‘用得起’的碳纖維突破。”徐樑華憧憬地告訴記者未來碳纖維行業的努力方向。

警惕碳纖維熱

全國性的碳纖維熱是不少科研人員擔憂的事情。早在2005年前後,碳纖維的研發進展引發了全國性的“碳纖維熱”,企業盲目重複投資建設了一批碳纖維生産線。日本碳纖維降價後,一些小企業因競争力不足,備受打擊。近兩年,碳纖維又慢慢熱起來,行業專家不免擔憂碳纖維熱會重蹈覆轍。

2017年,浙江泰先新材料股份有限公司向法院申請破産。2018年,沈陽中恒也宣布破産。據徐樑華分析,這兩家碳纖維企業破産的原因在于産業規模和資金實力不足。碳纖維是一個運營周期很長的行業。起初不少企業建廠瞄準了軍用需求。但是國防軍用的需求十分有限。“目前中國有二十五六家碳纖維企業。相比之下,美國有2家,日本有3家。中國需要未來有效産能達到萬噸的企業,3-5家碳纖維企業就夠了。畢竟碳纖維是小衆産品,市場需求并不大。”

對于近期碳纖維熱,工信部賽迪智庫原材料工業研究所副所長曾昆告訴《經濟》記者,這對行業産生的影響主要體現在以下三方面:一是導緻資本等社會資源大量湧向碳纖維産業,容易造成低端産品過剩。二是短期投資熱容易造成行業過度競争。資本競相流向碳纖維市場必然引起行業短期競争加劇,國内碳纖維企業既要面對國外企業的價格打壓,又要和國内行業進行價格戰,企業盈利空間進一步被擠壓。三是投機資本可能會引起産業的波動。碳纖維産業投資周期長,需要資本長期支持。而短期資本的“投機”性質,大進大出容易影響産業可持續發展。因此,我們不能忽視“碳纖維熱”對産業長期發展的影響。

繼往開來加油幹

在40年後的今天,碳纖維行業如何更上一層樓?衆多專家給出4點建議:一是,提高應用設計能力。由于碳纖維複合材料較為特殊,我們還需要提高設計能力和原創能力,而不是習慣性地跟風國外的應用。同時,我們要加強在前沿性拓展的布局,高質量和低成本地發展碳纖維。

二是,培養跨界人才。數學、物理學是從事非金屬材料應用研究的重要基礎。如何增強人才隊伍的數理水平,徐樑華建議,組織跨學科的團隊。譬如,将數理很強的材料力學設計的人才與材料界的人才快速融合,或許是突破材料應用設計瓶頸的有效方法。

三是,打破同質化競争。目前國内碳纖維企業用同一種碳纖維制備工藝,80%的企業采用DMSO(二甲基亞砜)的工藝,而日本3家公司則采用3種不同的工藝。為了避免同種工藝路線受到局限,提高抵抗風險能力和差異化能力,我們需要創新制備工藝。

四是,建立碳纖維行業共享數據庫。2016年12月30日,四部委聯合發布《新材料産業發展指南》,提出兩化融合,目的是促進信息技術與新材料融合發展。不過,碳纖維材料的規格型号繁多,不僅有纖維絲束大小之分、性能高低不同,還存在不同的紡絲工藝、有不同的表面上漿劑;應用環節涉及不同的纖維制品形式、不同的樹脂體系、不同的成型工藝和不同的構件設計等。如果說T300級碳纖維複合材料像一棵樹冠繁盛的數據樹,那麼,碳纖維所有的數據就像一片森林。

“山東大學碳纖維中心已經在建數據庫系統了,相關領域智能制造工程也在實施中。”朱波告訴記者,碳纖維生産工藝很複雜,利用大數據、人工智能技術可預測高性能碳纖維研究方向。同時,碳纖維智能制造,對碳纖維批量化生産,提高質量穩定性和降低碳纖維生産成本意義重大。

來源:搜狐網

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