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坚守碳纤维基础研究 打破国产高性能碳纤维对标困境

时间:2019-02-12 14:14来源:新材料在线 作者:xclzx 点击:
徐樑华扎根碳纤维研究领域已30多年,经历了国产碳纤维发展的一半历程。
 在北京化工大学碳纤维楼的二楼,一个长形的房间内机器轰鸣,一卷米白色的原丝缓缓地被抽入设备内,这是对PAN原丝进行碳化前的预氧化处理。
《大国之材》第三集《碳纤维》摄制组前往拜访时,满头银发的徐樑华正穿着白大褂,在这条原丝碳化中试线上认真指导学生作业。
身兼国家碳纤维工程技术研究中心主任、北化碳纤维及功能高分子教育部重点实验室副主任、碳纤维及复合材料研究所所长等职,徐樑华扎根碳纤维研究领域已30多年,经历了国产碳纤维发展的一半历程。

    徐樑华
在他看来,高校应该坚守基础研究、应用基础及前瞻性工作的定位。“一个人的精力是有限的,我们应坚守本分,把碳纤维产业的基础做好。”
打破固有思维重树碳纤维国产化主流工艺
从20世纪60年代末到80年代,国产碳纤维经历了艰难的阶段,材料界从对其认知到科研力量皆为欠缺。
当时的碳纤维研发并未作为大协同的技术体系展开研究,从聚合、纺丝到氧化、碳化再到应用在当时条块分割的框架之下无法形成协调。
国民经济水平亦相对较低,与碳纤维的研发投入需求并不匹配。科研实力弱,缺乏先进技术的参考、借鉴,国内对碳纤维的认知水平并不高。
最关键的原因是,国产化主流技术未能找到。
因此,2000年以前,中国的碳纤维探索一直处于徘徊阶段。
随着市场对碳纤维需求的推动,国家和政府加大了对碳纤维研发的支持力度。“十五”期间在国家“863”项目推动下,形成了北京化工大学、中科院山西煤化所、山东大学为主要力量的三个相对集中的研发基地。
从事高性能聚丙烯腈(PAN)碳纤维科学技术研究,徐樑华深感使命重大,感叹不容易,“它需要有很淡定的心态才能做得出来” 。
上个世纪代表中国碳纤维水平的是硝酸法技术,然而硝酸法在国际上已经被淘汰,现在代表中国碳纤维水平的是二甲基亚砜法。当时国内已拥有二甲基亚砜技术,但是由于固有思维未突破被搁置。
徐樑华率领团队,基于PAN/DMSO间歇溶液聚合、一步法湿法纺丝工艺,在国内率先研发出二甲基亚砜溶液体系制备具有规整表截面结构碳纤维原丝的国产化技术,重新确立了二甲基亚砜原丝工艺路线在碳纤维国产化发展中的主体地位。
按此工艺生产的聚丙烯腈原丝的质量完全符合高强碳纤维生产的需要,国产碳纤维从此走上了从高强、高强中模、高模、高模高强有序发展的快速轨道。
徐樑华认为,重新使用二甲基亚砜法路线不仅仅是技术的转型,更是理念的转型。
冲出对标困局实现国产技术自主创新
如果说本世纪初的碳纤维技术处于转型阶段,那么现在的碳纤维产业可谓处于升级阶段。“接下来进入碳纤维的产业化建设。”徐樑华说。
国产碳纤维近20年的发展速度远超前30年的发展速度,产业化成果累累。技术方面,从当时的T300到现在高强高模全覆盖。
虽坚守碳纤维产业的基础研究本分工作,徐樑华团队却不忘创新。徐樑华认为,国产碳纤维材料应实现自主创新,避免跟着国外的发展步伐走对标式的路。
“十五”期间,北京化工大学和山西煤化所分别展开了T700级碳纤维的研发。两者走的研究路线不一,山西煤化所走的是干喷湿纺路线,徐樑华团队提出了湿纺工艺制备国产T700级高强碳纤维的技术方向并得到了科技部的支持。
经过4年的努力,湿纺T700级碳纤维实现了关键技术突破,并应用到以光威为代表的碳纤维企业中,这意味着国产高强碳纤维产业化技术空白被填补上了。“这个原始创新是我们独有的,连日本都没有”。
实现国产碳纤维技术自主创新,无疑让徐樑华团队推动碳纤维国产化的信念更加坚定,“国产碳纤维发展到现在,我们可以不对标国外,做自己的技术”。
发挥碳纤维优势实现价值最大化
中国碳纤维产业迈入了快速发展的第二个阶段。随着新能源汽车及其他现代工业的发展,“黑色黄金”迎来发展风口。
在此过程中,原丝生产技术、碳化生产技术及对应生产设备均不断发展完善,而下游的碳纤维终端应用则高端应用与低端应用并存。对于目前国产碳纤维发展现状有什么样的看法?徐樑华从企业定位和应用角度给出了答案。
以下是新材料在线整理的对话内容(Q为新材料在线,A为徐樑华):
Q:国产碳纤维市场价格如何?
A:第一,碳纤维具有特殊的优异性能,一定要将其性能用出来,它的价值才会体现出来。第二,现在碳纤维的产业发展有一个现象,盲目地扩大产能,大家觉得把它卖出去就行了。所以国内碳纤维的销售价一直较低,大家一直没有考虑到它的价值。
体现碳纤维价值化的应用需要把应用设计和应用服务这两个方面做好,其高价值化应用就体现出来了。
碳纤维不能跟玻璃纤维等去竞争市场,否则价值无法体现。碳纤维属于“贵族”材料,是高价值的材料,一定要用在该用的地方。如航天航空及国民经济领域中工业领域的一些高端装备。
但凡嫌碳纤维贵的应用领域,就不该去考虑,如此体现不出其价值。
Q:您如何看待碳纤维在风电、汽车、轨道交通上的应用?
A:碳纤维不能去竞争低容量的风电叶片市场。
假如风电叶片容量要求变大了,就是碳纤维的天下了。比方5兆、7兆、10兆等大容量的风电叶片,需要将叶片做大,或者叶片的单位兜风面积要求增加。此时玻璃纤维因比重较大、刚度不够的限制,就无法满足了,而碳纤维在这两方面是强项。
所以海洋风电,或者大瓦数大功率风电叶片,一定要用碳纤维,其价值就能体现出来。
汽车是碳纤维的潜在市场。目前,碳纤维在汽车上的应用处于验证阶段,并不十分成熟。从全复合材料汽车到碳纤维加强车身,目前为止,我还是认为它是一种技术验证。
碳纤维在汽车领域的应用范围和方法,到现在为止未出现特别成熟的结论。此外中国没有特别高端的乘用车,汽车厂家利润水平本来不高,所以碳纤维复合材料在中国市场上的应用难度可能会更大一些。我认为碳纤维在汽车方面的应用是一种储备技术,或者说是验证性的应用。
不过,随着国家新能源汽车政策的推动,可能慢慢地会推进这方面的应用。但是绝对不能把应用压力都转移到碳纤维的低成本化方面,碳纤维的成本有一个理论目标,如果碳纤维企业无法盈利,整个行业就将不可持续发展。
碳纤维在汽车上的应用应把准碳纤维的综合优势,把应用技术发展起来。像现在碳纤维复合材料替代金属件这种模式,不是发展碳纤维复合材料在汽车上应用技术的正确的方向。
碳纤维在汽车上的应用最能发挥其价值的地方是加固、局部加强、和轻量化,但是其软肋是怕冲击。我认为抗冲击的任务,应由金属承担,如铝合金等轻质金属;加固方面则由碳纤维承担,两者结合起来,现在像宝马,也是走的这条路。
轨道交通方面,轻量化,从技术层面上来讲,是碳纤维非常好的应用点。比如高铁,需要用电驱动;而现在电网建设跟不上高铁的发展需要,特别是有些地方,因为电网不完善,高铁没法通过去。高铁的轻量化,是解决高铁耗电非常理想的途径之一。此外,随着耗电需求下降,电网的压力随之下降,从长远来讲,它效益也是可以体现的。
总之,碳纤维因其特性,在装备存在交互碰撞的领域使用并不很成功,而在不交互碰撞领域的使用很成功。
Q:在您看来,国内碳纤维应用的出路在哪里?
A:据我总结,中国碳纤维应用市场,其实都是模仿西方国家。如此产生一个弊端,别人的市场开拓出来以后,蛋糕已经画好了,我们仅仅是从人家蛋糕里分一小块蛋糕。
西方发达国家隔几年就有新领域的应用发现,我们却没有。我们缺两个条件,一是材料的应用服务跟不上,做材料的不思考怎么把它用出去,只想着卖出去,市场地位不高;二是应用设计能力很差,未形成材料合理应用的主观思维,跟随西方国家的脚步。中国需要有正向设计能力,中国的复合材料真正要做强,一定要会自己开拓市场。
Q:针对目前的碳纤维湿纺和干喷湿纺两大产业化技术路线,您认为国内碳纤维要实现低成本化应如何推进?
A:提速提束。一个是把速度提上来,一个把丝束提上去。
干喷湿纺优点是走速度,但它的丝束不容易提上去。湿纺纺丝的缺点是速度慢,但它的优点是可以把丝束提上去。这两个回归到一个共性问题,就是生产效率的提高,这都是低成本化的途径。
工业用碳纤维技术的发展,干湿纺是途径之一,但不是全部,大丝束也是个途径。现在从技术推进的话,两条腿都得走,一个是大丝束,一个是干湿纺。
目前国内大丝束技术只到48K,这方面下一步可能有两个任务要进行:一个是大丝束的纺丝和碳化技术,从碳纤维制备和工艺角度来讲,大丝束比小丝束难,技术问题也需要慢慢的去突破; 二是大丝束做复合材料,效率高,但是成型过程中间也有些技术要突破。 

(责任编辑:admin)

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