北美首頁  |  新聞  |  時尚  |  大陸  |  臺灣  |  美國  |  娛樂  |  體育  |  財經  |  圖片  |  移民  |  微博  |  健康

中國這位教授填補碳纖維國內空白 用於製造直10直19

http://dailynews.sina.com   2018年07月11日 01:21   北京新浪網

 

來源:航空製造技術,記者:李丹丹來源:航空製造技術,記者:李丹丹

  碳纖維的國產化之路

  ——訪碳纖維專家,北京化工大學徐樑華教授

  徐樑華,北化國家碳纖維工程技術研究中心主任,碳纖維及功能高分子教育部重點實驗室副主任,碳纖維及複合材料研究所所長。發明出特殊工藝的T700級碳纖維製備技術及產品,支撐了我國重大型號的研製;率先實現T800級高強中模碳纖維的技術突破,填補了國內空白;研發成功M40J、M55J等高性能碳纖維國產化技術,2014年獲國家科技進步二等獎。

  Q:5月8日,科技部高技術中心組織專家組在北化對科技部863課題“聚丙烯腈碳纖維石墨化關鍵技術研究”課題進行技術驗收,請簡單爲我們介紹一下該課題的重要意義。

  A:這個項目主要是針對東麗M55J高強高模碳纖維材料的工藝和裝備來展開的。M55J是衛星的主材料,一直以來都依賴國外進口,這個項目的驗收具有兩方面的重要意義:一是工藝技術的國產化,從以往的經驗來看,碳纖維的製備遵循強度和模量相互制約的規律,強度高了模量就會降低,模量提高了強度就會下降。纖維是從亂層石墨到類石墨,主要是石墨結構,模量高、強度差,怎麼能將兩種結構特徵結合起來,是我們面臨的挑戰。從2010年在科技部973計劃支持下,開始圍繞這個問題開展基礎科學,提出了高強高模碳纖維的結構模型,通過M40J的技術研發,驗證了這個模型的合理性後,我們一直以這個模型來指導我們的關鍵技術研究。二是裝備國產化,高模量纖維的關鍵工藝就是高溫石墨化,溫度高達2500℃以上,爐子一直是我們的軟肋。這個項目中,合作企業也是非常有經驗,爐子仍是反覆討論、設計、修改,最終通過驗證。工藝和裝備都實現了國產化,對國外的依賴性降低,面對封鎖控制纔不會受制於人。

 

 

  這個項目的亮點是將用戶(北京衛星製造廠)結合在一起,將成品及時供給應用部門進行驗證。國產碳纖維就面臨過這樣的問題,碳纖維性能優良,但是製備成複合材料後差距拉大,這就需要非常長的磨合期。T300、T700、T800與M55J相比,成本上還低一些,驗證3~5年還在可承受範圍之內,但是M55J成本較高,對於長時間的考覈、驗證,經費消耗會非常龐大。我們項目一開始就將用戶結合到課題中,經過3年,我們將關鍵工藝、裝備、工程化應用的問題併案研究,做出的纖維滿足應用需求,複合材料結構件性能也達到設計要求,節省了時間、降低了成本、提高了效率,這種產、學、研、用合作模式是非常值得借鑑的。

  Q:目前佔市場主導地位的是PAN基碳纖維,請簡單爲我們介紹一下該碳纖維的基礎研究和產業化情況?

  A:PAN基碳纖維叫聚丙烯腈碳纖維,碳纖維總共有4類,這是其中一類,也是主要的一類,約佔碳纖維產品的90%。國外的研究從20世紀60年代開始,我們是20世紀70年代開始,這個起步的差距不大,但是前面的35年一直在徘徊,只有近15年在高速發展。爲什麼在徘徊?就是缺少基礎研究。從事纖維研究的企業或企業性質的研究所,大部分精力花在解決工程問題上,核心的基礎研究沒有關注。

 

日本東麗將長期向美國SpaceX飛船供應碳纖維日本東麗將長期向美國SpaceX飛船供應碳纖維

 

  現在國內主流技術二甲基亞碸法就是我們在2000年突破的,在這之前我們做了2~3年的基礎研究,把碳纖維看作高分子材料,迴歸到基礎的科學問題,遵循高分子材料的客觀規律,將複雜的問題簡單化。從那以後,我們就找對了方向,快速地發展起來。前面的35年總是在探索,這個方法不行,那個方向也不行,與國外的差距就越來越大。2002年我們建成了第一條工程化線,2006年國內建成了第一條產業化線,到現在18年了,與國外在關鍵技術上的差距在縮小。

  產業上還有代差,5個部分組成的產業體系還不是很完善。截至2017年底理論產能是26000噸,千噸線有11條、100~400噸線有17條、500噸線有9條,但是我們的產能釋放率才29%,國際上平均達到65%,東麗有時能達到70%。產能釋放率低反映了我們產業技術成熟度比較低,根本原因就是體系建設不完善,其中涉及到的核心問題之一就是裝備。我國的碳纖維產業化裝備是從引進起步的,國內的消化、吸收、再創新做得不好,導致生產中往往是工藝去迎合裝備,這樣就會出現問題,引進的時候不是按照生產線引進,而是按照裝置引進,自己去組裝建設,供應商保證單個設備滿足技術要求,是否能建成產業線是不會管的,我們沒有更多的產業化經驗,不能提出圍繞工藝的產業化裝備需求,導致很多裝備生產能力達不到設計目標。

 

 

  像幾十噸到百噸級這樣的裝備國內還是可以做的,但是千噸級的還存在很多問題。碳纖維產業化裝備的國產化製造與其他行業的裝備類似,主要還是靠經驗,對仿真、模擬技術的使用還有所欠缺,這就導致碳纖維生產設備特有的溫度場和氣流場在靜態情況下滿足要求,但到了生產時的動態環境,“兩場”波動就比較大,這就導致生產出來的碳纖維質量波動比較大。國外對設備也有一定的限制,尤其是美國,還會限定設備的溫度。德國就稍微好一些,與中國的企業合作,在中國生產,只要不是用於高端碳纖維的製備,條件還是比較寬鬆的。美國限定1800℃以上是需要許可證書的。

  國產設備我認爲主要問題還是缺少設計模擬,引進、消化、仿製這樣的逆向思維可能實施起來難度還是比較大的,因爲國外的產品更新換代比較快,水平也在提高。例如預氧化設備,它需要氣循環,不同的纖維品種、不同的規格,採用的循環方式是不一樣的。因爲我們不會設計,只能依靠引進設備的循環方式,這就比較被動。碳纖維的發展需要重視裝備,不是大家認爲的我有錢就能買的事情。東麗裝備的雛形也是外加工,但是它會根據自己的工藝進行二次改造,裝備製造商是不讓參與的,而國內幾乎沒有二次改造,進口裝備都不敢動,有的企業會有一點小的改造。

 

 

  觀察國內的碳纖維企業,凡是自己裝備能力比較強的產業化都做得比較好,反之則反。這個現象是很明顯的,所以我們提倡碳纖維企業一定要有自己的裝備能力,這可能需要很長的時間。中國培育出自己的裝備製造商比較難,美國、德國的裝備是面向全世界,市場比較大,而中國的裝備製造商市場可能只有中國,我們的裝備很難走出去,市場畢竟有限。專門做裝備的企業對碳纖維領域不感興趣;有興趣介入的,前期投入會比較高,現在一條產業化線成本就在1.5億左右,研製的投入至少需要2個億,並且短期內很難看到效益,可能需要建設幾十條線才能產生回報,國內還沒有那麼大的市場,所以境遇就比較尷尬。這種關鍵戰略材料的技術研發、儲備和條件支撐單靠市場行爲是行不通的。

  Q:國產碳纖維在高端領域廣泛應用還有哪些挑戰?高質量和低成本應該怎樣去實現?

  A:目前國內碳纖維企業大馬拉小車,可以保證在高端領域質量的穩定性。我們現在所說的質量不穩定,深層次是使用過程中的波動,即使用工藝性。一是纖維製成複合材料後,應用部門會對標國外產品,先入爲主再加上對國外纖維的熟練順手,定性的概括爲不好用,其實還有很多深層次的問題有待挖掘。二是強度轉移力低,纖維性能對標國外產品是差不多的,但複合材料的性能差距就比較明顯。基本上每款碳纖維都會遇到這2個問題,在平時研討時也在探索這些問題,究其根本原因是纖維製備過程中的精細化操作不夠。一束纖維理論上每根纖維是很規整的,但是我們的纖維會有交叉,有交叉的纖維製備成複合材料不是完全的0°排列,性能就會有所降低,所以現在就給大家強化精細化製備的要求,從應用端來考慮纖維的製備,慢慢把握住問題的脈搏,解決起來應該就會比較快了。

 

 

  2002年,國內從事碳纖維的研發單位僅有3家,山大、北化、山西煤化所,東華大學也有一部分,但主要是做凝膠碳纖維。2008年,我協助建設中科院寧波材料所碳纖維實驗室,研究單位變成4家。到現在爲止,真正做完整的關鍵技術研究的不到4家了,從中不難發現,研發力量在萎縮。我經常也在思考這個問題,也提出過書面建議,我們的基礎研究還需要加強,研發隊伍要擴大,有3~5個研發單位,適度的競爭與合作互動是好事,如果獨家發展,方向有可能會走歪。我們的研發成果都在實施產業化,但是我自己不做產業化,和企業分工協作,我就集中做技術研發,畢竟精力是有限的。碳纖維這個材料非常複雜,實驗室同樣具備產業化的特徵,是產業線的縮小版,沒有3~5年的深入研究,入門都很難。

  國產碳纖維相對來講成本偏高一些,成本高,我們認爲它不單純是經濟問題,而是深層次的技術問題。能源費貴、設備貴這都只是其中一個因素,更多的是技術因素。產能沒有釋放、裝備技術不過關、上漿劑佔比高、纖維合格率低、質量不能滿足應用要求等都是技術問題。高質量、低成本通過合理的技術手段是可以實現的。對碳纖維我們提出到2030年,價格爭取做到10美元/kg;前段時間波音公司的華人專家來訪,他們提出5美元/磅的目標,這個目標是差不多的,基本已經達到極限。對複合材料企業,降低成本應該在復材的成型工藝上和工裝上下功夫。

  Q:碳纖維生產技術的產業化是產學研合作的典範,您在合作過程中是否遇到一些問題制約着項目的推進?同質化發展的碳纖維企業較多,給市場帶來哪些問題?想要實現產業的良好發展,您有哪些建議?

  A:以前大家認爲校企合作,各取所需,研究人員關注名、企業關注利,但是現在科研人員也關注利了,企業也關注名了,重疊以後就容易出現矛盾。與企業的合作過程中責任和利益是其間遇到的第一個大問題。另外,由於企業間的競爭壓力比較大,因此合作雙方的相互信任度也會制約着合作的深入。科研人員和企業肯定不是一對一合作,有時候與企業合作到一定程度後,他們會豎起壁壘,對研究人員進行封鎖,往往就會導致最後一步走不好。

  從去年開始,我覺得碳纖維行業在逐漸變好,已經裝備運行的企業有26家,其中1家只做原絲、10家只做碳纖維不做原絲、15家既做碳纖維也做原絲,而16家做原絲的企業中,13家採用二甲基亞碸技術、2家是硫氰酸鈉技術、1家是二甲基乙酰胺技術,這就是國內的整體格局。爲什麼說去年情況變好了呢?因爲去年有七八家企業停產了,停產以後對產能的影響是2000噸,產能小、水平不高在競爭中就會被淘汰。如果再調整七八家,國內碳纖維行業的集成度進一步提高,行業的競爭優勢會更好。競爭與整合對企業來說比較殘忍,因爲碳纖維企業投入比較大,但是從產業的發展來看,這是必須經歷的陣痛。我們希望企業發展好、行業發展好,企業好了我們日子也好,研究人員和行業是相輔相成的。現在的碳纖維企業多是同質化發展,做的東西也一樣,想要整合也比較困難。

 

 

  碳纖維行業有個非常大的瓶頸和軟肋就是缺乏纖維應用設計能力。簡單來說,所有的碳纖維都是國外先用,我們學的,國內沒有開發出新的應用領域。因爲我們不會設計,通過各種渠道瞭解國外用的哪個型號的纖維,我們也只敢用同一型號的纖維。航空航天領域還是有一些設計能力的,畢竟發展的時間比較長,其他工業領域幾乎沒有創新設計能力,所以中國一定要培育自己的纖維應用設計人才。如果這個問題不解決,這個行業會一直被憋住。我認爲可以把高校裏面力學設計和材料研究人員組建成團隊,在工作中去融合,可能會較快解決這個問題。

  還有一個空白就是我們沒有碳纖維材料及應用的數據庫,航空航天有一些,但是這個數據是保密的。碳纖維複合材料更大的市場在工業領域,缺少應用設計人才和基礎數據的支撐,相對金屬材料比較完善的人才和設計手冊來講,難度較大。10年前我就在呼籲建立數據庫,但是這是一個很龐大的工程,也想通過與國外專家的交流,瞭解大體框架,少走彎路,不然全靠我們自己去摸索,十幾年都是不夠的,況且現在還沒有得到重視,還沒有起步。

 

直10、直19機身都大量使用了碳纖維直10、直19機身都大量使用了碳纖維

 

  總體來說,碳纖維行業堅定地走國產化這條道路是非常好的,航空航天領域大家心比較齊,只要國內有的我們不用國外的。我們也要認清現實,報道要實事求是,不能虛胖,不然容易誤導決策者,5年一次計劃,這個時間耽擱不起。我們雖然起步比較早,但是前面35年都在徘徊,入門也就16、17年時間,發展已經比較快了,出現任何問題都是正常的,不用迴避。希望同心協力,實現碳纖維產業良好、健康的發展。(作者署名:航空製造網)

《出鞘》完整內容請關注新浪軍事官方微信搶先查看(查看詳情請搜索微信公衆號:sinamilnews),《出鞘》每天在新浪軍事官方微信完整首發。

Bookmark and Share
|
關閉