“搶灘”碳纖維 山西為什么要力爭“下游”

　　聚焦高端碳材料，山西加快碳纖維的產(chǎn)業(yè)化培育和市場化應用，積極布局打造晉東南、晉中、晉北三大碳基新材料集聚區(qū)，推動以碳纖維為代表的碳基新材料產(chǎn)業(yè)搶占先機、贏得未來競爭優(yōu)勢。

　　攻克“黑金”趕超引領

　　用“細如發(fā)絲，輕如鴻毛，強如鋼鐵，貴如黃金”四個詞來形容碳纖維材料毫不為過。一輛用碳纖維做成的自行車，重量僅5公斤，成年人可輕松單手提起；揮動碳纖維羽毛球拍，扣殺擊球，攻勢凌厲；碳纖維釣魚竿，彈性好、不易折斷。生活中碳纖維產(chǎn)品越來越多。

　　碳纖維密度是鋼鐵的四分之一左右，抗拉強度卻是鋼的7-9倍。一束標準的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，制成碳纖維的原料，是普通碳素長絲，之所以被賦予超強的性能，靠的是它的組成材料和添加物助力。一種叫環(huán)氧樹脂的材料，可以把碳素長絲和各種材料充分混合并實現(xiàn)硬化，變成超強韌性、耐高溫的復合材料——碳纖維。碳纖維造價每千克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。

　　常說做什么事都要力爭上游，但碳纖維卻要力爭“下游”。中科院山西煤化所碳纖維制備技術國家工程實驗室主任呂春祥這樣解釋：碳纖維材料要在100多公里長度上實現(xiàn)穩(wěn)定，反復拉扯中不能折斷，這些都是難關。從技術角度講，碳纖維制備需要1400攝氏度高溫。沒有一種產(chǎn)品制備比碳纖維工藝路徑長，從碳纖維原料到成品，有3000個測控點要求達到穩(wěn)定狀態(tài)。從學科來講，沒有任何一個生產(chǎn)過程有碳纖維復雜，涉及20多個學科。雖然很難，但碳纖維是不可或缺的戰(zhàn)略材料，也是高技術競爭的關鍵核心領域。

　　正是因為碳纖維的不可或缺，世界各國紛紛布局，大力推動碳纖維材料的研發(fā)生產(chǎn)。中科院山西煤化所作為我國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驗收，實現(xiàn)了干噴濕紡制備T-1000級超高強度碳纖維的核心技術的突破。在沒有任何外部資料借鑒的情況下，山西煤化所碳纖維團隊研發(fā)了丙烯腈間歇聚合工藝技術，扭轉(zhuǎn)了我國長期以來連續(xù)聚合主導的工藝路線存在的弊端，引導國產(chǎn)碳纖維技術走到科學合理的路線上來。T300制備技術解決了碳纖維灰分高、抗燒蝕性差、耐濕熱性能差的難題。這使國產(chǎn)碳纖維實現(xiàn)成分、結(jié)構、性能與國外產(chǎn)品一致，為國產(chǎn)碳纖維在高端領域的替代奠定了理論基礎和物質(zhì)基礎。“這個問題的解決，使我國成為國際上第3個具有宇航級碳纖維的國家?！鄙轿髅夯芯繂T楊禹說。

　　我省碳纖維科研團隊從2003年開始碳纖維研究，從T300\T600\T700到T1000不斷實現(xiàn)突破。呂春祥告訴記者，多年來，研究人員從基礎研發(fā)、工藝攻關、裝備研制到技術基層做了大量細致工作，面向國家重大需求，進行T300、T700、T800等系列碳纖維攻關，滿足了國家重大需求，解決了系列型號的國產(chǎn)化保障問題，從T800著手，向高端新材料發(fā)起一場創(chuàng)新突破的“攻堅戰(zhàn)”，推動系列碳纖維產(chǎn)業(yè)，建成系列化工程平臺，解決系列碳纖維產(chǎn)業(yè)化問題。但是，國家的碳纖維發(fā)展歷程以跟蹤仿制為主，沒有形成自主技術體系，下一步，碳纖維發(fā)展一定要有自己的技術體系，繼續(xù)潛心攻關高強、高模、高韌碳纖維。

　　應用端發(fā)力推進技術創(chuàng)新

　　要從應用端發(fā)力推動基礎研究和技術創(chuàng)新，碳纖維材料還有著廣泛應用領域和無限的開拓空間。

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

　　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團隊用碳纖維新材料對橋梁進行加固。他說：“整個工程，我們用了1200米的碳纖維板，對橋梁15個梁板進行底板加固，碳纖維板和橋梁底板形成一個整體。一塊碳纖維板，它只有幾頁紙的重量，卻可承受35噸拉應力?！蓖瓿赏瑯右粋€加固工程，碳纖維材料的價格雖然是鋼結(jié)構造價的1.5倍，但是從長遠來看，碳纖維板因其耐腐蝕、耐疲勞的獨特優(yōu)勢，使得加固效果在整個橋梁服役周期持續(xù)有效，真正起到全生命周期加固養(yǎng)護的作用，大大減少反復加固的費用。李登華覺得很值，他說，讓更多的橋梁用上新材料，也讓碳纖維整個產(chǎn)業(yè)鏈延伸得更長更遠。

　　拓展碳纖維應用領域，山西有著怎樣的優(yōu)勢，突破方向在哪里？中國科學院化學研究所副所長徐堅認為，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域做了大量的工作，為中國碳纖維事業(yè)奠定了基礎。但是碳纖維只是一種基礎性的原材料，碳纖維更多應用在它的下游，會產(chǎn)生非常多的復合材料領域，山西在碳纖維應用領域和市場還是有強大基礎的，在今后發(fā)展過程中，料要成材，材要成器，器要好用，這些方面山西還有機會進一步發(fā)展。

　　碳纖維研發(fā)要從應用端發(fā)力來推進技術創(chuàng)新。目前，山西優(yōu)勢還集中在上游和中游——碳纖維的研發(fā)與制造。如何力爭“下游”，縮短從研發(fā)生產(chǎn)到應用的過程，長期從事碳纖維下游成型設計的工程師李秀文認為，這首先需要引進專業(yè)人才和專業(yè)團隊，培養(yǎng)出自己的復合材料設計師。專業(yè)人才要具備產(chǎn)品特性分析能力、模具方案結(jié)構設計能力、復合材料工藝設計能力及分析和檢測方面能力。其次，要增強自主創(chuàng)新能力，掌握核心技術。每個產(chǎn)品的結(jié)構特點不同，應用環(huán)境也不同，先進經(jīng)驗并不能拿來直接借用。真正要做好碳纖維高端材料的下游應用，還要找到具有競爭力的產(chǎn)品，獲取市場效應，才能使碳纖維復合材料的應用得到良性循環(huán)發(fā)展。

　　要立足山西的產(chǎn)業(yè)布局，進行合作模式創(chuàng)新，以點帶面，實現(xiàn)碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展。呂春祥認為，新興產(chǎn)業(yè)有兩方面驅(qū)動，一靠技術驅(qū)動，需要不斷地進行技術創(chuàng)新，提高創(chuàng)新能力，提高技術的成熟度，使得產(chǎn)業(yè)成功。二靠需求拉動，需求拉動是市場行為，只有需求才能使技術進步，雙輪驅(qū)動才能推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　聚焦高端材料，拓展市場應用

　　聚焦高端碳材料，碳纖維的發(fā)展要以產(chǎn)業(yè)培育和拓展市場應用為主要任務。放眼全球，日本東麗公司在碳纖維領域一直處于領跑的地位。東麗公司的成功經(jīng)驗，在新華社駐東京記者站郭威看來，就是始終把握下游發(fā)展趨勢，開辟新市場，打開增量空間。該公司第一桶金是通過開發(fā)高爾夫球桿得來，通過打開民用休閑體育這一全球新的市場實現(xiàn)了公司全新的發(fā)展。其次，企業(yè)抓住了產(chǎn)業(yè)技術變革的機遇，與行業(yè)領先客戶深度合作。上世紀70年代的T300性能遠遜于國產(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，設計并制造出能保證安全通過適航的民機復合材料結(jié)構部件，實現(xiàn)了民機部件批量化生產(chǎn)，從而實現(xiàn)了東麗T300的產(chǎn)業(yè)化。企業(yè)在深挖性能優(yōu)勢的同時，拓展工業(yè)領域的應用。碳纖維在民機結(jié)構的應用不斷增加，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。在成為民機產(chǎn)業(yè)碳纖維主供應商的同時，公司在風電、汽車領域積極探索、拓展。

　　從下游研發(fā)應用再回望整個碳纖維產(chǎn)業(yè)，山西應該從哪些方面發(fā)力，讓整個碳纖維產(chǎn)業(yè)走上快速發(fā)展的道路？呂春祥認為，在碳纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)布局中，建鏈、延鏈、補鏈、強鏈，是可持續(xù)發(fā)展的保證。具體來說，創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈、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碳纖維發(fā)展的前列。碳纖維的突破要發(fā)揮優(yōu)勢、大力協(xié)同，科研人員從基礎研發(fā)、工藝攻關、裝備研發(fā)、技術集成、產(chǎn)業(yè)應用同步推進，靠社會各方力量去支持、協(xié)同，碳纖維的實驗室技術才能變成產(chǎn)業(yè)化技術，碳纖維產(chǎn)業(yè)才能走到良性循環(huán)發(fā)展的軌道上來。

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

　　轉(zhuǎn)自：山西日報

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