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行业分析

碳纤维40年:国际封锁下的艰难攻关
来源:经济网-《经济》杂志  2018-08-15 14:51:26
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-7022.html
  从上个世纪60年代开始,尤其是改革开放40年以来,历经三四代人的共同攻关,国产碳纤维终于实现了从无到有的突破。在国外技术封锁的艰难环境下,我们不断创新,举全国之力攻克了碳纤维制备的关键技术,在航空航天、军工等特定领域打破了国外对碳纤维的垄断。
 
     改革开放40年后,碳纤维进入一个新的发展阶段。它正在从“能用”向“好用”和“用得起”的阶段继续攻关。
 
     久攻不克
 
     碳纤维(CF)是一种含碳量在93%以上的高强度、高模量新型纤维材料。由于它最早应用在航空航天、军工等领域,是国家战略性新兴材料之一。国外一直对我国禁运高端碳纤维。自“十五”以来,因涉及国防安全,碳纤维被列为国家重点发展的新材料,国家给予高度重视。近年来,随着碳纤维制备关键技术的不断突破,其应用领域逐渐扩展到体育休闲、风力发电、汽车轻量化等领域。
 
     《经济》记者采访多位在一线攻关的科研人员后,深深地感受到他们对碳纤维技术攻关的锲而不舍和令人肃然起敬的国家情怀。
 
     “没有10年的卧薪尝胆,做不出来高性能碳纤维。”山东大学材料学院高分子材料研究所所长、山东省碳纤维工程技术研究中心副主任朱波这样告诉《经济》记者。
 
     “1966-1976年间,科学家们曾研究过酚醛、苯酚甲醛、呋喃类树脂、聚萘乙酸⋯⋯聚乙烯醇和聚醋酸乙烯酯等20多种有机物,但它们都没有作为碳纤维前驱体的商业开发价值。”军事科学院系统工程研究院的周宏在《日本碳纤维技术发展史研究》一文中有这样的描述。我们从中能感觉到,寻找高性能碳纤维的制备方法曾让全世界的科学家、科研人员“抓狂”。
 
     “碳纤维的研究起源于日本、美国,英国的科研人员通过工艺创新,赋予了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维(以下简称‘PAN基碳纤维’)优异的力学性能。作为一种新的材料研究,启发了中国的科研人员,跟着开始研究,但那时的科研并不在国家统一规划和管理下,更多的是自由分散式的。”北京化工大学材料科学与工程学院副院长、国家碳纤维工程技术研究中心主任徐樑华这样告诉《经济》记者。
 
     据资料显示,美国人曾尝试使用它制备高模量碳纤维,但没有成功。日本的進藤昭男抓住了美国人留下的这一机遇并取得了成功。1959年9月,進藤昭男向日本专利局提出了一项PAN基碳纤维生产工艺技术的专利申请。
 
     1970年6月,日本东丽公司获得了大阪工业技术试验所的专利授权,并收购了东海碳素公司和日本碳素公司的相关生产技术,经过一系列小试、中试,于次年制备出了高性能PAN基碳纤维。时至今日,它依然是世界领先的碳纤维公司。
 
     值得注意的是,PAN基碳纤维从实验室到东丽公司规模化生产也经历了漫长的12年。
 
     “上个世纪70年代,我们只落后日本三四年。我们下了很大功夫。到80年代,日本碳纤维突飞猛进。90年代以后,美国在碳纤维推广应用上进展飞速。但这段时间,我们在碳纤维应用方面的进展较少。”中国科学院山西煤炭化学研究所一位科研人员这样告诉《经济》记者。
 
     在回顾上个世纪70年代国外的碳纤维发展情况之后,我国在当时也发生了一个标志性的事件。1975年11月,时任国防科工委主任的张爱萍将军主持的“7511”会议上,确定PAN碳纤维为战略核武器的关键材料,组织了全国力量进行科技攻关。“7511”会议是中国碳纤维行业的一次标志性会议,也标志着碳纤维的科研工作被纳入国家统一规划。
 
     不过,当时我们面临的困难也不少。外因有国外的技术封锁,内因主要是由于中国部委制分割过细,把碳纤维这一集成的技术,分割到各个部委去抓,导致科研效果不佳。
 
     由于种种原因,“7511”会议之后的20多年里,中国碳纤维行业一直找不到一个有序发展的技术途径。我国有各种技术路线,但都不是顶尖的。那段时期,代表中国碳纤维水平的是吉林石化的硝酸法原丝制备工艺,但它也有明显的缺点,比如在工程放大的时候,它只能在低温下操作,否则容易爆炸,而且硝酸腐蚀性强,碳纤维的性能波动较大,产能也十分有限。
 
     很长一段时间,碳纤维行业都徘徊在沉寂期里。科研人员依然默默付出,因为他们一直铆足劲,希望终有一日中国的碳纤维能够超越日本。
 

 
碳纤维排
 
     曙光与攻克
 
     1999年,南斯拉夫科索沃战争爆发。这是在以美国为首的北约的推动下发生的一场高技术局部战争。国内专家意识到,作为重要军事武器的原材料碳纤维的重要性以及研制高性能碳纤维的紧迫性。
 
     在2000年前后,一方面,国际封锁严酷,碳纤维奇缺;另一方面,国产碳纤维的性能不稳定,无法满足军方要求。在这种情况下,战略科学家、两院院士师昌绪先生提出要自主发展碳纤维。
 
     曾经从事碳纤维管理工作的李克健撰文回忆那段历史:“2001年1月,师昌绪先生给江泽民主席写了‘关于加速开发高性能碳纤维的请示报告’,报告批转到了国家计委和科技部等部门。此举产生较大反响,对以后的经费落实起到了决定性影响。”
 
     2002年,科技部设立国家863计划的碳纤维关键技术专项——304专项,拨款1亿元,集中资源、瞄准技术关键开展集约攻关。业内人士普遍认为,如果没有国家大力支持,碳纤维技术发展不了这么快。
 
     “当时的形势很严峻。为了尽快做出碳纤维,科技部在设立研发项目的同时,成立了测试专家组,每3个月到攻关单位现场抽样一次,送第三方检验进行盲测盲评。科技部设立信息搜集专项课题,收集汇总全世界的碳纤维及原丝相关知识产权信息,给碳纤维及其原丝研发提供了强有力的支撑。”朱波回忆说。
 
     在原化学工业部和科技部立项支持下,北京化工大学于2000年突破了二甲基亚砜法原丝工艺。“当时我们在实验室阶段,突破了一个与东丽公司类似的技术,尽管工艺有些粗糙,但增强了我们的信心。后来吉林石化以此为依据开始了工程化技术研究,原来的硝酸法被二甲基亚砜法替代了。”徐樑华回忆说。
 

 
碳纤维电动车样车  黄芳芳/摄
 
     其实,科研人员很清楚,实验室阶段离产业化还有很长的距离。在采访过程中,几位专家都不约而同地提到了科工委的“一条龙”项目管理流程发挥了重要作用。2005年,国防科工委(现为国家国防科技工业局)提出把碳纤维研究从技术推动变成需求牵引的“一条龙”项目管理流程。徐樑华向记者解释,这促使碳纤维人转变了思维和理念。“研制生产碳纤维是为了某种领域应用而服务的,碳纤维人应该站在应用的角度审视碳纤维的制备,这对碳纤维的发展起到了至关重要的作用。碳纤维技术研发‘一条龙’模式的示范意义很大,以后国内关键材料的发展都采用了这一模式。”
 
     从2000年到2005年是碳纤维打基础的阶段。一方面,继续高性能化的技术研发,突破了碳纤维T700的制备工艺,同时关注碳纤维的工程化技术研究。2005年,碳纤维T300率先完成了工程化条件建设和基本工艺突破,应用牵引的一条龙研究模式得以有条件实施。到2008年,宇航级的碳纤维T300实现了国产化保障。这也意味着,国产碳纤维在特定领域的应用可以替代进口了。
 

 
碳纤维硅片支架
 
     2009年,国内很多单位都上线了碳纤维。当年有20多家企业具备碳纤维T300系列的生产能力。但是日本采取了降价倾销策略,碳纤维T300开始大幅降价,对我国碳纤维企业造成了严重的打击。
 
     “日本东丽公司于1969年实现了T300碳纤维的规模化生产,1986年实现了T1000碳纤维的产业化生产,一线科研专家清楚地知道我们与国外的差距。国家多个部委从‘十五’到‘十二五’连续设立专项支持碳纤维发展,我国碳纤维研究人员和企业家不负众望,在国家总体投资不大的前提下,光威拓展、中复神鹰、丹阳恒神、吉林碳谷等几家基础条件好的企业实现了通用碳纤维的规模化生产。”朱波这样告诉记者。
 

 
碳纤维镜框
 
     2015年以后,国家相关专项已从“碳纤维关键技术专项”更名为“高性能纤维及复合材料重点专项”,将碳纤维产业链进行延伸。直到现在,我国仍将高性能碳纤维视为重点发展的新材料。
 
     从总体来看,碳纤维行业的基础建立在计划经济时代。正是由于国家意志和财政资金的支持,以及民营资本的介入,才共同支撑起碳纤维行业的发展。
 
     攻关仍在路上
 
     从碳纤维的发展历程来看,我们发现国家的引导和总体战略部署对碳纤维行业的发展起到至关重要的作用。同时,立足自主研发是永远不变的主题。
 
     “在‘十五’期间,‘863’碳纤维项目的验收十分严苛。当时有3个单位承担课题攻关,科技部专门成立测试组。在测试时,由第一拨测试小组人员直接到现场取样,多家取样、标记编号之后,彻底打乱次序,统一由第二拨人员送到指定的检测单位。在送检的样品中,再混上日本的碳纤维,同样打乱编号,统一检测后,再根据测试号对出是哪家单位的原丝和碳纤维,最后才公布结果。到现在来看,这种竞争模式,让碳纤维的研发基础打得很牢固。”朱波回忆说。
 

 
碳纤维复合材料车身
 
     在碳纤维发展过程中,最值得称颂与弘扬的是科研人员的拼搏精神。他们没日没夜地加油干。教授、专家与工程人员、技术人员到一线干活。高校、研究机构、企业联动,如同一家人一样共同申请课题搞科研。大家始终撇开个人利益,秉持国家情怀,将技术和产业化攻关放在首位。而这些都是碳纤维成功的宝贵经验。
 
     然而,我们仍要看到国产碳纤维与国外的差距。如果与日本对标,目前国产碳纤维在核心技术、产业化水平的稳定性上仍与国外有不小的差距。尤其是我们还不能生产高强高模系列碳纤维。核心配方、核心装备、核心工艺、核心辅料等方面均是制约因素。举例来说,制备高强高模碳纤维需要石墨化炉,石墨化炉温度要达到2800°以上,但国内受炉体原材料限制导致高温装备性能不稳定,而且这些材料国外对我们是禁运的。未来,高性能碳纤维的攻关仍要突破诸多难题,也需要国家持续的支持。
 
     “现在我们已经生产出能用的碳纤维了,下一步,我们要向‘好用’和‘用得起’的碳纤维突破。”徐樑华憧憬地告诉记者未来碳纤维行业的努力方向。
 
     警惕碳纤维热
 
     全国性的碳纤维热是不少科研人员担忧的事情。早在2005年前后,碳纤维的研发进展引发了全国性的“碳纤维热”,企业盲目重复投资建设了一批碳纤维生产线。日本碳纤维降价后,一些小企业因竞争力不足,备受打击。近两年,碳纤维又慢慢热起来,行业专家不免担忧碳纤维热会重蹈覆辙。
 
     2017年,浙江泰先新材料股份有限公司向法院申请破产。2018年,沈阳中恒也宣布破产。据徐樑华分析,这两家碳纤维企业破产的原因在于产业规模和资金实力不足。碳纤维是一个运营周期很长的行业。起初不少企业建厂瞄准了军用需求。但是国防军用的需求十分有限。“目前中国有二十五六家碳纤维企业。相比之下,美国有2家,日本有3家。中国需要未来有效产能达到万吨的企业,3-5家碳纤维企业就够了。毕竟碳纤维是小众产品,市场需求并不大。”
 
     对于近期碳纤维热,工信部赛迪智库原材料工业研究所副所长曾昆告诉《经济》记者,这对行业产生的影响主要体现在以下三方面:一是导致资本等社会资源大量涌向碳纤维产业,容易造成低端产品过剩。二是短期投资热容易造成行业过度竞争。资本竞相流向碳纤维市场必然引起行业短期竞争加剧,国内碳纤维企业既要面对国外企业的价格打压,又要和国内行业进行价格战,企业盈利空间进一步被挤压。三是投机资本可能会引起产业的波动。碳纤维产业投资周期长,需要资本长期支持。而短期资本的“投机”性质,大进大出容易影响产业可持续发展。因此,我们不能忽视“碳纤维热”对产业长期发展的影响。
 
     继往开来加油干
 
     在40年后的今天,碳纤维行业如何更上一层楼?众多专家给出4点建议:一是,提高应用设计能力。由于碳纤维复合材料较为特殊,我们还需要提高设计能力和原创能力,而不是习惯性地跟风国外的应用。同时,我们要加强在前沿性拓展的布局,高质量和低成本地发展碳纤维。
 
     二是,培养跨界人才。数学、物理学是从事非金属材料应用研究的重要基础。如何增强人才队伍的数理水平,徐樑华建议,组织跨学科的团队。譬如,将数理很强的材料力学设计的人才与材料界的人才快速融合,或许是突破材料应用设计瓶颈的有效方法。
 
     三是,打破同质化竞争。目前国内碳纤维企业用同一种碳纤维制备工艺,80%的企业采用DMSO(二甲基亚砜)的工艺,而日本3家公司则采用3种不同的工艺。为了避免同种工艺路线受到局限,提高抵抗风险能力和差异化能力,我们需要创新制备工艺。
 
     四是,建立碳纤维行业共享数据库。2016年12月30日,四部委联合发布《新材料产业发展指南》,提出两化融合,目的是促进信息技术与新材料融合发展。不过,碳纤维材料的规格型号繁多,不仅有纤维丝束大小之分、性能高低不同,还存在不同的纺丝工艺、有不同的表面上浆剂;应用环节涉及不同的纤维制品形式、不同的树脂体系、不同的成型工艺和不同的构件设计等。如果说T300级碳纤维复合材料像一棵树冠繁盛的数据树,那么,碳纤维所有的数据就像一片森林。
 
     “山东大学碳纤维中心已经在建数据库系统了,相关领域智能制造工程也在实施中。”朱波告诉记者,碳纤维生产工艺很复杂,利用大数据、人工智能技术可预测高性能碳纤维研究方向。同时,碳纤维智能制造,对碳纤维批量化生产,提高质量稳定性和降低碳纤维生产成本意义重大。
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-7022.html