打破固有思維 重樹碳纖維國產(chǎn)化主流工藝

打破固有思維

重樹碳纖維國產(chǎn)化主流工藝

從20世紀60年代末到80年代，國產(chǎn)碳纖維經(jīng)歷了艱難的階段，材料界從對其認知到科研力量皆為欠缺。

當(dāng)時的碳纖維研發(fā)并未作為大協(xié)同的技術(shù)體系展開研究，從聚合、紡絲到氧化、碳化再到應(yīng)用在當(dāng)時條塊分割的框架之下無法形成協(xié)調(diào)。

國民經(jīng)濟水平亦相對較低，與碳纖維的研發(fā)投入需求并不匹配?？蒲袑嵙θ酰狈ο冗M技術(shù)的參考、借鑒，國內(nèi)對碳纖維的認知水平并不高。

最關(guān)鍵的原因是，國產(chǎn)化主流技術(shù)未能找到。

因此，2000年以前，中國的碳纖維探索一直處于徘徊階段。

隨著市場對碳纖維需求的推動，國家和政府加大了對碳纖維研發(fā)的支持力度?！笆濉逼陂g在國家“863”項目推動下，形成了北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所、山東大學(xué)為主要力量的三個相對集中的研發(fā)基地。

從事高性能聚丙烯腈（PAN）碳纖維科學(xué)技術(shù)研究，徐樑華深感使命重大，感嘆不容易，“它需要有很淡定的心態(tài)才能做得出來” 。

上個世紀代表中國碳纖維水平的是硝酸法技術(shù)，然而硝酸法在國際上已經(jīng)被淘汰，現(xiàn)在代表中國碳纖維水平的是二甲基亞砜法。當(dāng)時國內(nèi)已擁有二甲基亞砜技術(shù)，但是由于固有思維未突破被擱置。

徐樑華團隊

徐樑華率領(lǐng)團隊，基于PAN/DMSO間歇溶液聚合、一步法濕法紡絲工藝，在國內(nèi)率先研發(fā)出二甲基亞砜溶液體系制備具有規(guī)整表截面結(jié)構(gòu)碳纖維原絲的國產(chǎn)化技術(shù)，重新確立了二甲基亞砜原絲工藝路線在碳纖維國產(chǎn)化發(fā)展中的主體地位。

按此工藝生產(chǎn)的聚丙烯腈原絲的質(zhì)量完全符合高強碳纖維生產(chǎn)的需要，國產(chǎn)碳纖維從此走上了從高強、高強中模、高模、高模高強有序發(fā)展的快速軌道。

徐樑華認為，重新使用二甲基亞砜法路線不僅僅是技術(shù)的轉(zhuǎn)型，更是理念的轉(zhuǎn)型。

沖出對標困局

實現(xiàn)國產(chǎn)技術(shù)自主創(chuàng)新

如果說本世紀初的碳纖維技術(shù)處于轉(zhuǎn)型階段，那么現(xiàn)在的碳纖維產(chǎn)業(yè)可謂處于升級階段。“接下來進入碳纖維的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)。”徐樑華說。

國產(chǎn)碳纖維近20年的發(fā)展速度遠超前30年的發(fā)展速度，產(chǎn)業(yè)化成果累累。技術(shù)方面，從當(dāng)時的T300到現(xiàn)在高強高模全覆蓋。

雖堅守碳纖維產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研究本分工作，徐樑華團隊卻不忘創(chuàng)新。徐樑華認為，國產(chǎn)碳纖維材料應(yīng)實現(xiàn)自主創(chuàng)新，避免跟著國外的發(fā)展步伐走對標式的路。

“十五”期間，北京化工大學(xué)和山西煤化所分別展開了T700級碳纖維的研發(fā)。兩者走的研究路線不一，山西煤化所走的是干噴濕紡路線，徐樑華團隊提出了濕紡工藝制備國產(chǎn)T700級高強碳纖維的技術(shù)方向并得到了科技部的支持。

經(jīng)過4年的努力，濕紡T700級碳纖維實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)突破，并應(yīng)用到以光威為代表的碳纖維企業(yè)中，這意味著國產(chǎn)高強碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)空白被填補上了?！斑@個原始創(chuàng)新是我們獨有的，連日本都沒有”。

實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維技術(shù)自主創(chuàng)新，無疑讓徐樑華團隊推動碳纖維國產(chǎn)化的信念更加堅定，“國產(chǎn)碳纖維發(fā)展到現(xiàn)在，我們可以不對標國外，做自己的技術(shù)”。

《大國之材》徐樑華院長篇

“中國復(fù)合材料要做強，

一定要會自己開拓市場”

中國碳纖維產(chǎn)業(yè)邁入了快速發(fā)展的第二個階段。隨著新能源汽車及其他現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，“黑色黃金”迎來發(fā)展風(fēng)口。

在此過程中，原絲生產(chǎn)技術(shù)、碳化生產(chǎn)技術(shù)及對應(yīng)生產(chǎn)設(shè)備均不斷發(fā)展完善，而下游的碳纖維終端應(yīng)用則高端應(yīng)用與低端應(yīng)用并存。對于目前國產(chǎn)碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀有什么樣的看法？徐樑華從企業(yè)定位和應(yīng)用角度給出了答案。

以下是新材料在線?整理的對話內(nèi)容（Q為新材料在線?，A為徐樑華）：

Q：國產(chǎn)碳纖維市場價格如何？

A：第一，碳纖維具有特殊的優(yōu)異性能，一定要將其性能用出來，它的價值才會體現(xiàn)出來。第二，現(xiàn)在碳纖維的產(chǎn)業(yè)發(fā)展有一個現(xiàn)象，盲目地擴大產(chǎn)能，大家覺得把它賣出去就行了。所以國內(nèi)碳纖維的銷售價一直較低，大家一直沒有考慮到它的價值。

體現(xiàn)碳纖維價值化的應(yīng)用需要把應(yīng)用設(shè)計和應(yīng)用服務(wù)這兩個方面做好，其高價值化應(yīng)用就體現(xiàn)出來了。

碳纖維不能跟玻璃纖維等去競爭市場，否則價值無法體現(xiàn)。碳纖維屬于“貴族”材料，是高價值的材料，一定要用在該用的地方。如航天航空及國民經(jīng)濟領(lǐng)域中工業(yè)領(lǐng)域的一些高端裝備。

但凡嫌碳纖維貴的應(yīng)用領(lǐng)域，就不該去考慮，如此體現(xiàn)不出其價值。

Q：您如何看待碳纖維在風(fēng)電、汽車、軌道交通上的應(yīng)用？

A：碳纖維不能去競爭低容量的風(fēng)電葉片市場。

假如風(fēng)電葉片容量要求變大了，就是碳纖維的天下了。比方5兆、7兆、10兆等大容量的風(fēng)電葉片，需要將葉片做大，或者葉片的單位兜風(fēng)面積要求增加。此時玻璃纖維因比重較大、剛度不夠的限制，就無法滿足了，而碳纖維在這兩方面是強項。

所以海洋風(fēng)電，或者大瓦數(shù)大功率風(fēng)電葉片，一定要用碳纖維，其價值就能體現(xiàn)出來。

汽車是碳纖維的潛在市場。目前，碳纖維在汽車上的應(yīng)用處于驗證階段，并不十分成熟。從全復(fù)合材料汽車到碳纖維加強車身，目前為止，我還是認為它是一種技術(shù)驗證。

碳纖維在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用范圍和方法，到現(xiàn)在為止未出現(xiàn)特別成熟的結(jié)論。此外中國沒有特別高端的乘用車，汽車廠家利潤水平本來不高，所以碳纖維復(fù)合材料在中國市場上的應(yīng)用難度可能會更大一些。我認為碳纖維在汽車方面的應(yīng)用是一種儲備技術(shù)，或者說是驗證性的應(yīng)用。

不過，隨著國家新能源汽車政策的推動，可能慢慢地會推進這方面的應(yīng)用。但是絕對不能把應(yīng)用壓力都轉(zhuǎn)移到碳纖維的低成本化方面，碳纖維的成本有一個理論目標，如果碳纖維企業(yè)無法盈利，整個行業(yè)就將不可持續(xù)發(fā)展。

碳纖維在汽車上的應(yīng)用應(yīng)把準碳纖維的綜合優(yōu)勢，把應(yīng)用技術(shù)發(fā)展起來。像現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料替代金屬件這種模式，不是發(fā)展碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用技術(shù)的正確的方向。

碳纖維在汽車上的應(yīng)用最能發(fā)揮其價值的地方是加固、局部加強、和輕量化，但是其軟肋是怕沖擊。我認為抗沖擊的任務(wù)，應(yīng)由金屬承擔(dān)，如鋁合金等輕質(zhì)金屬；加固方面則由碳纖維承擔(dān)，兩者結(jié)合起來，現(xiàn)在像寶馬，也是走的這條路。

軌道交通方面，輕量化，從技術(shù)層面上來講，是碳纖維非常好的應(yīng)用點。比如高鐵，需要用電驅(qū)動；而現(xiàn)在電網(wǎng)建設(shè)跟不上高鐵的發(fā)展需要，特別是有些地方，因為電網(wǎng)不完善，高鐵沒法通過去。高鐵的輕量化，是解決高鐵耗電非常理想的途徑之一。此外，隨著耗電需求下降，電網(wǎng)的壓力隨之下降，從長遠來講，它效益也是可以體現(xiàn)的。

總之，碳纖維因其特性，在裝備存在交互碰撞的領(lǐng)域使用并不很成功，而在不交互碰撞領(lǐng)域的使用很成功。

Q：在您看來，國內(nèi)碳纖維應(yīng)用的出路在哪里？

A：據(jù)我總結(jié)，中國碳纖維應(yīng)用市場，其實都是模仿西方國家。如此產(chǎn)生一個弊端，別人的市場開拓出來以后，蛋糕已經(jīng)畫好了，我們僅僅是從人家蛋糕里分一小塊蛋糕。

西方發(fā)達國家隔幾年就有新領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，我們卻沒有。我們?nèi)眱蓚€條件，一是材料的應(yīng)用服務(wù)跟不上，做材料的不思考怎么把它用出去，只想著賣出去，市場地位不高；二是應(yīng)用設(shè)計能力很差，未形成材料合理應(yīng)用的主觀思維，跟隨西方國家的腳步。中國需要有正向設(shè)計能力，中國的復(fù)合材料真正要做強，一定要會自己開拓市場。

Q：針對目前的碳纖維濕紡和干噴濕紡兩大產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線，您認為國內(nèi)碳纖維要實現(xiàn)低成本化應(yīng)如何推進？

A：提速提束。一個是把速度提上來，一個把絲束提上去。

干噴濕紡優(yōu)點是走速度，但它的絲束不容易提上去。濕紡紡絲的缺點是速度慢，但它的優(yōu)點是可以把絲束提上去。這兩個回歸到一個共性問題，就是生產(chǎn)效率的提高，這都是低成本化的途徑。

工業(yè)用碳纖維技術(shù)的發(fā)展，干噴濕紡是途徑之一，但不是全部，大絲束也是個途徑?，F(xiàn)在從技術(shù)推進的話，兩條腿都得走，一個是大絲束，一個是干噴濕紡。

目前國內(nèi)大絲束技術(shù)只到48K，這方面下一步可能有兩個任務(wù)要進行：一個是大絲束的紡絲和碳化技術(shù)，從碳纖維制備和工藝角度來講，大絲束比小絲束難，技術(shù)問題也需要慢慢的去突破；二是大絲束做復(fù)合材料，效率高，但是成型過程中間也有些技術(shù)要突破。