“搶灘”碳纖維 山西為什么要力爭(zhēng)“下游”

　　聚焦高端碳材料，山西加快碳纖維的產(chǎn)業(yè)化培育和市場(chǎng)化應(yīng)用，積極布局打造晉東南、晉中、晉北三大碳基新材料集聚區(qū)，推動(dòng)以碳纖維為代表的碳基新材料產(chǎn)業(yè)搶占先機(jī)、贏得未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　攻克“黑金”趕超引領(lǐng)

　　用“細(xì)如發(fā)絲，輕如鴻毛，強(qiáng)如鋼鐵，貴如黃金”四個(gè)詞來(lái)形容碳纖維材料毫不為過(guò)。一輛用碳纖維做成的自行車，重量?jī)H5公斤，成年人可輕松單手提起；揮動(dòng)碳纖維羽毛球拍，扣殺擊球，攻勢(shì)凌厲；碳纖維釣魚(yú)竿，彈性好、不易折斷。生活中碳纖維產(chǎn)品越來(lái)越多。

　　碳纖維密度是鋼鐵的四分之一左右，抗拉強(qiáng)度卻是鋼的7-9倍。一束標(biāo)準(zhǔn)的12k碳纖維可以承受130公斤重量。在惰性氣氛下，碳纖維可以經(jīng)受住3000攝氏度高溫。其實(shí)，制成碳纖維的原料，是普通碳素長(zhǎng)絲，之所以被賦予超強(qiáng)的性能，靠的是它的組成材料和添加物助力。一種叫環(huán)氧樹(shù)脂的材料，可以把碳素長(zhǎng)絲和各種材料充分混合并實(shí)現(xiàn)硬化，變成超強(qiáng)韌性、耐高溫的復(fù)合材料——碳纖維。碳纖維造價(jià)每千克20美元，是傳統(tǒng)鋼質(zhì)材料的20倍。正因如此，輕如鴻毛的碳纖維卻有貴比黃金的美譽(yù)。

　　常說(shuō)做什么事都要力爭(zhēng)上游，但碳纖維卻要力爭(zhēng)“下游”。中科院山西煤化所碳纖維制備技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任呂春祥這樣解釋：碳纖維材料要在100多公里長(zhǎng)度上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，反復(fù)拉扯中不能折斷，這些都是難關(guān)。從技術(shù)角度講，碳纖維制備需要1400攝氏度高溫。沒(méi)有一種產(chǎn)品制備比碳纖維工藝路徑長(zhǎng)，從碳纖維原料到成品，有3000個(gè)測(cè)控點(diǎn)要求達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。從學(xué)科來(lái)講，沒(méi)有任何一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程有碳纖維復(fù)雜，涉及20多個(gè)學(xué)科。雖然很難，但碳纖維是不可或缺的戰(zhàn)略材料，也是高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵核心領(lǐng)域。

　　正是因?yàn)樘祭w維的不可或缺，世界各國(guó)紛紛布局，大力推動(dòng)碳纖維材料的研發(fā)生產(chǎn)。中科院山西煤化所作為我國(guó)最早從事碳纖維研究的科研院所之一，2019年，該所成功制取的聚丙烯腈基中空碳纖維通過(guò)驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡制備T-1000級(jí)超高強(qiáng)度碳纖維的核心技術(shù)的突破。在沒(méi)有任何外部資料借鑒的情況下，山西煤化所碳纖維團(tuán)隊(duì)研發(fā)了丙烯腈間歇聚合工藝技術(shù)，扭轉(zhuǎn)了我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)連續(xù)聚合主導(dǎo)的工藝路線存在的弊端，引導(dǎo)國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)走到科學(xué)合理的路線上來(lái)。T300制備技術(shù)解決了碳纖維灰分高、抗燒蝕性差、耐濕熱性能差的難題。這使國(guó)產(chǎn)碳纖維實(shí)現(xiàn)成分、結(jié)構(gòu)、性能與國(guó)外產(chǎn)品一致，為國(guó)產(chǎn)碳纖維在高端領(lǐng)域的替代奠定了理論基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)。“這個(gè)問(wèn)題的解決，使我國(guó)成為國(guó)際上第3個(gè)具有宇航級(jí)碳纖維的國(guó)家。”山西煤化所研究員楊禹說(shuō)。

　　我省碳纖維科研團(tuán)隊(duì)從2003年開(kāi)始碳纖維研究，從T300\T600\T700到T1000不斷實(shí)現(xiàn)突破。呂春祥告訴記者，多年來(lái)，研究人員從基礎(chǔ)研發(fā)、工藝攻關(guān)、裝備研制到技術(shù)基層做了大量細(xì)致工作，面向國(guó)家重大需求，進(jìn)行T300、T700、T800等系列碳纖維攻關(guān)，滿足了國(guó)家重大需求，解決了系列型號(hào)的國(guó)產(chǎn)化保障問(wèn)題，從T800著手，向高端新材料發(fā)起一場(chǎng)創(chuàng)新突破的“攻堅(jiān)戰(zhàn)”，推動(dòng)系列碳纖維產(chǎn)業(yè)，建成系列化工程平臺(tái)，解決系列碳纖維產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題。但是，國(guó)家的碳纖維發(fā)展歷程以跟蹤仿制為主，沒(méi)有形成自主技術(shù)體系，下一步，碳纖維發(fā)展一定要有自己的技術(shù)體系，繼續(xù)潛心攻關(guān)高強(qiáng)、高模、高韌碳纖維。

　　應(yīng)用端發(fā)力推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新

　　要從應(yīng)用端發(fā)力推動(dòng)基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新，碳纖維材料還有著廣泛應(yīng)用領(lǐng)域和無(wú)限的開(kāi)拓空間。

　　碳纖維最高端用途在航空航天，但民用領(lǐng)域應(yīng)用更廣闊，比如風(fēng)力發(fā)電，百米長(zhǎng)的風(fēng)機(jī)葉片由碳纖維制成；軌道交通，交通工具輕量化，優(yōu)化運(yùn)輸能力；碳纖維復(fù)材修復(fù)老舊建筑……在許多領(lǐng)域，山西省布局了很多課題，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展做了相應(yīng)的鋪墊。

　　2017年，工作人員在定期橋梁檢查中發(fā)現(xiàn)，青銀高速呂梁牛尾溝大橋部分地方出現(xiàn)了豎向裂縫。山西交通科技研發(fā)有限公司碳纖維材料首席專家李登華率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用碳纖維新材料對(duì)橋梁進(jìn)行加固。他說(shuō)：“整個(gè)工程，我們用了1200米的碳纖維板，對(duì)橋梁15個(gè)梁板進(jìn)行底板加固，碳纖維板和橋梁底板形成一個(gè)整體。一塊碳纖維板，它只有幾頁(yè)紙的重量，卻可承受35噸拉應(yīng)力?！蓖瓿赏瑯右粋€(gè)加固工程，碳纖維材料的價(jià)格雖然是鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)的1.5倍，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，碳纖維板因其耐腐蝕、耐疲勞的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使得加固效果在整個(gè)橋梁服役周期持續(xù)有效，真正起到全生命周期加固養(yǎng)護(hù)的作用，大大減少反復(fù)加固的費(fèi)用。李登華覺(jué)得很值，他說(shuō)，讓更多的橋梁用上新材料，也讓碳纖維整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈延伸得更長(zhǎng)更遠(yuǎn)。

　　拓展碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域，山西有著怎樣的優(yōu)勢(shì)，突破方向在哪里？中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所副所長(zhǎng)徐堅(jiān)認(rèn)為，碳纖維在民用生產(chǎn)中有很大的前景，中科院山西煤化所是我國(guó)最早研究碳纖維的單位之一，擁有悠久的碳纖維研究歷史，特別是在丙烯碳纖維領(lǐng)域做了大量的工作，為中國(guó)碳纖維事業(yè)奠定了基礎(chǔ)。但是碳纖維只是一種基礎(chǔ)性的原材料，碳纖維更多應(yīng)用在它的下游，會(huì)產(chǎn)生非常多的復(fù)合材料領(lǐng)域，山西在碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)還是有強(qiáng)大基礎(chǔ)的，在今后發(fā)展過(guò)程中，料要成材，材要成器，器要好用，這些方面山西還有機(jī)會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

　　碳纖維研發(fā)要從應(yīng)用端發(fā)力來(lái)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。目前，山西優(yōu)勢(shì)還集中在上游和中游——碳纖維的研發(fā)與制造。如何力爭(zhēng)“下游”，縮短從研發(fā)生產(chǎn)到應(yīng)用的過(guò)程，長(zhǎng)期從事碳纖維下游成型設(shè)計(jì)的工程師李秀文認(rèn)為，這首先需要引進(jìn)專業(yè)人才和專業(yè)團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)出自己的復(fù)合材料設(shè)計(jì)師。專業(yè)人才要具備產(chǎn)品特性分析能力、模具方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能力、復(fù)合材料工藝設(shè)計(jì)能力及分析和檢測(cè)方面能力。其次，要增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，掌握核心技術(shù)。每個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，應(yīng)用環(huán)境也不同，先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并不能拿來(lái)直接借用。真正要做好碳纖維高端材料的下游應(yīng)用，還要找到具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，獲取市場(chǎng)效應(yīng)，才能使碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用得到良性循環(huán)發(fā)展。

　　要立足山西的產(chǎn)業(yè)布局，進(jìn)行合作模式創(chuàng)新，以點(diǎn)帶面，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。呂春祥認(rèn)為，新興產(chǎn)業(yè)有兩方面驅(qū)動(dòng)，一靠技術(shù)驅(qū)動(dòng)，需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，提高創(chuàng)新能力，提高技術(shù)的成熟度，使得產(chǎn)業(yè)成功。二靠需求拉動(dòng)，需求拉動(dòng)是市場(chǎng)行為，只有需求才能使技術(shù)進(jìn)步，雙輪驅(qū)動(dòng)才能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　聚焦高端材料，拓展市場(chǎng)應(yīng)用

　　聚焦高端碳材料，碳纖維的發(fā)展要以產(chǎn)業(yè)培育和拓展市場(chǎng)應(yīng)用為主要任務(wù)。放眼全球，日本東麗公司在碳纖維領(lǐng)域一直處于領(lǐng)跑的地位。東麗公司的成功經(jīng)驗(yàn)，在新華社駐東京記者站郭威看來(lái)，就是始終把握下游發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)辟新市場(chǎng)，打開(kāi)增量空間。該公司第一桶金是通過(guò)開(kāi)發(fā)高爾夫球桿得來(lái)，通過(guò)打開(kāi)民用休閑體育這一全球新的市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了公司全新的發(fā)展。其次，企業(yè)抓住了產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革的機(jī)遇，與行業(yè)領(lǐng)先客戶深度合作。上世紀(jì)70年代的T300性能遠(yuǎn)遜于國(guó)產(chǎn)碳纖維目前的水平，但企業(yè)發(fā)現(xiàn)并抓住了輕量化的迫切需求，設(shè)計(jì)并制造出能保證安全通過(guò)適航的民機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件，實(shí)現(xiàn)了民機(jī)部件批量化生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了東麗T300的產(chǎn)業(yè)化。企業(yè)在深挖性能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，拓展工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。碳纖維在民機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不斷增加，保證了碳纖維的持續(xù)生產(chǎn)和性能不斷提高，才有目前性能穩(wěn)定優(yōu)異的東麗碳纖維。在成為民機(jī)產(chǎn)業(yè)碳纖維主供應(yīng)商的同時(shí)，公司在風(fēng)電、汽車領(lǐng)域積極探索、拓展。

　　從下游研發(fā)應(yīng)用再回望整個(gè)碳纖維產(chǎn)業(yè)，山西應(yīng)該從哪些方面發(fā)力，讓整個(gè)碳纖維產(chǎn)業(yè)走上快速發(fā)展的道路？呂春祥認(rèn)為，在碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)布局中，建鏈、延鏈、補(bǔ)鏈、強(qiáng)鏈，是可持續(xù)發(fā)展的保證。具體來(lái)說(shuō)，創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈、資本鏈的融合，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。山西在碳纖維的發(fā)展過(guò)程中，已布局一系列課題，使碳纖維產(chǎn)業(yè)走上良性循環(huán)的道路，也使山西碳纖維走在中國(guó)碳纖維發(fā)展的前列。碳纖維的突破要發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、大力協(xié)同，科研人員從基礎(chǔ)研發(fā)、工藝攻關(guān)、裝備研發(fā)、技術(shù)集成、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用同步推進(jìn)，靠社會(huì)各方力量去支持、協(xié)同，碳纖維的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)才能變成產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，碳纖維產(chǎn)業(yè)才能走到良性循環(huán)發(fā)展的軌道上來(lái)。

　?。▋?nèi)容源自山西衛(wèi)視“轉(zhuǎn)型進(jìn)行時(shí)”記者沈佳）

　　轉(zhuǎn)自：山西日?qǐng)?bào)

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