徐樑華
(北京化工大學(xué),國家碳纖維工程技術(shù)研究中心,北京 100000)
經(jīng)過近3個五年計劃的 “技術(shù)推動+應(yīng)用牽引”式研究,高性能碳纖維的國產(chǎn)化工作成效顯著,進(jìn)展有序(圖 1)。
積累了寶貴的經(jīng)驗教訓(xùn)。①產(chǎn)學(xué)研用高度協(xié)同的研究機(jī)制;②關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)實行“雙流水”的成功模式;③“芯片”式的弄虛作假在碳纖維行業(yè)出現(xiàn)過,但沒形成氣候。
圖1 與日本東麗公司技術(shù)與產(chǎn)品對標(biāo)情況
2018年8 月,千噸級生產(chǎn)線11條,500 t級生產(chǎn)線9條,100~400 t級生產(chǎn)線17條。碳纖維生產(chǎn)能力約 26 000 t,2017 年供應(yīng)市場 7 400 t(圖 2)。
圖2 2017年國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能(t)
(1)大多在產(chǎn)業(yè)鏈的中間環(huán)節(jié),運(yùn)行與盈利風(fēng)險大。
(2)單純的纖維制造商、單一產(chǎn)品的纖維制造商生存難度加大。
(1)單線千噸級產(chǎn)能有威海拓展纖維有限公司、江蘇恒神碳纖維有限公司、中復(fù)神鷹碳纖維有限公司和中安信、中化藍(lán)星、吉林化纖(碳谷)、浙江精功、吉林精功等企業(yè)。
(2)原絲碳化技術(shù)鏈有吉林石化、河南永煤、太原鋼科、江蘇中簡、揚(yáng)州中科院中心、上海石化、邯鄲硅谷、西安康本、江蘇航科、沈陽恒天、浙江泰先等單位。
(3)專注碳化有吉林江城、吉林碳素、吉研高科、大連新科、甘肅郝式、廣東金發(fā)、安徽首文等單位(圖3)。
圖3 國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈
碳纖維(新材料)產(chǎn)業(yè)化過程分為5個階段:①預(yù)先研發(fā)階段(從0~1);②小試研發(fā)階段(從1~2);③中試產(chǎn)業(yè)化階段(從 2~3);④精益量產(chǎn)階段(從 3~4);⑤精益研發(fā)階段(從 4~10)。中試階段有的是裝備具有中試規(guī)模,有的就是產(chǎn)業(yè)化規(guī)模裝備,只是生產(chǎn)負(fù)荷沒有達(dá)到(≤3)。
持續(xù)發(fā)展的健康模式需高度關(guān)注(圖4)。
圖4 國內(nèi)碳纖維發(fā)展模式
“十二五”期間在中國境內(nèi)申請的專利:①碳纖維及其復(fù)合材料共申請專利32 854件。②發(fā)明20 799件,其他12 055件。③已經(jīng)審核結(jié)束的8 005件發(fā)明專利中授權(quán)率58.8%,失效率41.2%。④碳纖維產(chǎn)品及其制造方法843件,碳纖維復(fù)合材料及其應(yīng)用32 011件。
“十二五”期間高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):①已經(jīng)出版18個標(biāo)準(zhǔn)。其中:產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)4項,測試方法標(biāo)準(zhǔn)11項,其他標(biāo)準(zhǔn)3項。②推薦12個標(biāo)準(zhǔn)。其中:產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)0項,測試方法標(biāo)準(zhǔn)9項,其他標(biāo)準(zhǔn)3項。③出版:聚丙烯晴基碳纖維,碳纖維密度的測定。
我國碳纖維產(chǎn)業(yè)(技術(shù))呈現(xiàn)出“四多四少”的尷尬狀況:①企業(yè)多龍頭少;②產(chǎn)能多產(chǎn)量少;③用量多國產(chǎn)少;④跟蹤多原創(chuàng)少。我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展“前有堵截、后有追兵”,不僅面臨日美的高端禁運(yùn)和低端擠壓,也面臨韓/土耳其/印度等后發(fā)國家的快速追趕,生存環(huán)境嚴(yán)峻。
2.1.1 技術(shù)(產(chǎn)業(yè))鏈長
兩頭有話語權(quán)、中間被動,產(chǎn)業(yè)鏈越短越被動。
2.1.2 體系化要求高(圖5)
圖5 碳纖維體系
2.1.3 產(chǎn)品品種呈多元化特點(diǎn)
品種系列豐富,新品種不斷出現(xiàn)(圖6)。
圖6 碳纖維產(chǎn)品品種
表1 碳纖維的性能和比重
2.1.4 屬于貴族材料、小眾產(chǎn)品
性能+比重,碳纖維是最好的材料,結(jié)構(gòu)輕量化首選(表 1)。
碳纖維應(yīng)用從航天航空逐步拓展到人類社會的各個領(lǐng)域,從“貴族”材料向平民化材料發(fā)展。
碳纖維永遠(yuǎn)是貴族材料,不會是平民材料,具有定制化的價值。
2017年全球需求約8萬t,中國大陸2.3萬t。
根據(jù)全球10%,中國12%的增速測算,到2030年全球 29萬 t,中國 9.6萬 t(圖 7)。
圖7 2017年全球樹脂基復(fù)合材料需求-應(yīng)用領(lǐng)域(萬t)
2.2.1 迎合應(yīng)用市場發(fā)展規(guī)劃(圖8)
圖8 突出需求牽引的發(fā)展模式
2.2.2 理解中國特色發(fā)展模式的內(nèi)涵
高質(zhì)量高效益發(fā)展和可持續(xù)健康發(fā)展新臺階。
中國模式:“軍品上水平,民品上規(guī)?!薄?/p>
(1)技術(shù)(產(chǎn)品)對標(biāo)為主逐漸向技術(shù)(產(chǎn)品)創(chuàng)新發(fā)展-服務(wù)軍。
(2)提倡自主創(chuàng)新,最大程度發(fā)展碳纖維的效能-服務(wù)民。
(3)防止“講故事忽悠”、“新瓶裝老酒”等偽創(chuàng)新。
2.2.3 國產(chǎn)碳纖維技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)分析
(1)纖維應(yīng)用技術(shù)、復(fù)合材料應(yīng)用市場需要的碳纖維制備技術(shù)
①實施自主創(chuàng)新——對標(biāo)式技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)向自主品牌創(chuàng)新過渡。
②建立定制理念——圍繞具有發(fā)展前景的大市場,研發(fā)專用碳纖維技術(shù),充分改良碳纖維的不足,提升碳纖維材料的性價比。
③碳纖維本征性能要為應(yīng)用服務(wù)。
從玻璃纖維為主的纖維應(yīng)用發(fā)展為碳纖維織物等預(yù)制件制備、碳纖維復(fù)合材料制備,國產(chǎn)碳纖維有大量工作要做,許多涉及碳纖維材料本身特性問題。
不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的性能要求的側(cè)重面不同,一味采用標(biāo)配式碳纖維材料,往往出現(xiàn)“優(yōu)勢點(diǎn)不足、其余浪費(fèi)”現(xiàn)象。
根據(jù)碳纖維單線產(chǎn)能現(xiàn)實,年使用量在千噸級以上的,定制導(dǎo)致成本上漲的因素基本可以消除。
考慮成本與市場等因素,“定制化”工作可以從風(fēng)電領(lǐng)域試點(diǎn)。
④需求牽引式→需求牽引+技術(shù)推進(jìn)。
⑤國產(chǎn)碳纖維發(fā)展空間(圖9,10)。
圖9 中國樹脂基碳纖維復(fù)合材料需求-應(yīng)用領(lǐng)域(t)
圖10 2017年全球樹脂基復(fù)合材料需求-應(yīng)用領(lǐng)域(萬t)
(2)滿足國防應(yīng)用需求的碳纖維高性能化技術(shù)
①繼續(xù)對標(biāo)成熟的國際品牌,發(fā)展國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品。
②提高復(fù)合材料的綜合性能。
2013年10 月在美國的復(fù)合材料展會上美國赫氏公司展出了IM10碳纖維實物,該碳纖維的拉伸強(qiáng)度達(dá)到6.96 GPa、拉伸模量達(dá)310 GPa,并已應(yīng)用于大型客機(jī)等領(lǐng)域,但碳纖維的直徑只有4.4 μm。
2014年3月10 日日本東麗公司在其管網(wǎng)報道了T1100碳纖維的消息,碳纖維的拉伸強(qiáng)度6.6 GPa,拉伸模量324 GPa,直徑保持在5 μm左右;最新的東麗公司官網(wǎng)已經(jīng)把該款碳纖維的拉伸強(qiáng)度提高到7.0 GPa,并已實現(xiàn)產(chǎn)品化生產(chǎn)。
2015年《航空情報》第26期報道美國佐治亞理工學(xué)院研制出拉伸強(qiáng)度5.5~5.8 GPa、拉伸模量354~375 GPa的碳纖維,顯示出碳纖維復(fù)合材料向綜合性能均衡提高的發(fā)展趨勢。
(3)研發(fā)新一代先進(jìn)復(fù)合材料用碳纖維制備技術(shù)(表 2)
表2 第三代先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展對碳纖維提出前所未有的苛刻要求
(4)顛覆性(新)技術(shù)探索研究
①關(guān)注新技術(shù)苗頭。
從專利申請的動態(tài)分析表明,碳纖維制備過程中的聚合、紡絲、預(yù)氧化碳化三大部分的專利申請量近幾年快速增長,特別是聚合工藝,新技術(shù)不斷突破和改進(jìn),碳纖維制備技術(shù)發(fā)展更加多元化。
2011年,東麗公司遞交了一項涉及PAN系聚合物及其制造方法,表明東麗公司在PAN聚合的共聚單體選擇上可能有了新的研究進(jìn)展和突破,值得業(yè)內(nèi)關(guān)注。
②關(guān)注顛覆性技術(shù)創(chuàng)新。
顛覆性技術(shù)1:PAN熔融紡絲技術(shù)(圖11)
圖11 PAN熔融紡絲技術(shù)
通過聚丙烯腈大分子結(jié)構(gòu)修飾或添加合適助劑等化學(xué)、物理方法,降低聚合物分子間的強(qiáng)烈絡(luò)合效應(yīng),有效消除聚丙烯腈二級玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶性,降低其熔融溫度,實現(xiàn)熔融紡絲工藝的實現(xiàn)。
顛覆性技術(shù)2:新型碳纖維前驅(qū)體制備技術(shù)(圖 12)
圖12 新型碳纖維前驅(qū)體制備技術(shù)
合成新型多環(huán)芳香族聚合物,經(jīng)熔融或溶液濕法紡絲獲得纖維,不經(jīng)過熱穩(wěn)定化處理環(huán)節(jié)直接進(jìn)行高溫碳化,不僅簡化碳纖維制備工藝,還將獲得一種新型的碳纖維品種。
顛覆性技術(shù) 3:新型熱源技術(shù)
用新型熱源替代傳統(tǒng)的輻射熱源技術(shù),不僅可提高熱能利用率,在消除纖維皮芯結(jié)構(gòu)差異、提高碳纖維本征性能方面將顯示出效果。
如將等離子體加熱技術(shù)應(yīng)用于聚丙烯腈纖維的預(yù)氧化反應(yīng)、微波感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于聚丙烯腈預(yù)氧纖維的碳化反應(yīng)等。
(5)復(fù)合材料(碳纖維)回收(回用)技術(shù)(圖13)
圖13 碳纖維回收技術(shù)
(6)碳纖維及其復(fù)合材料數(shù)據(jù)庫累積
標(biāo)準(zhǔn)化工作,為碳纖維產(chǎn)業(yè)服務(wù),為復(fù)合材料應(yīng)用服務(wù)(數(shù)據(jù)庫建立的基礎(chǔ))。
結(jié)合實例介紹了國內(nèi)碳纖維技術(shù)與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀,分析了國產(chǎn)碳纖維技術(shù)的發(fā)展前景。對于結(jié)構(gòu)輕量化,碳纖維材料應(yīng)是首選。目前碳纖維應(yīng)用已從航天航空逐步拓展到人類社會的各個領(lǐng)域。適應(yīng)市場需求,實施自主創(chuàng)新,對標(biāo)式技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)向自主品牌創(chuàng)新過渡,圍繞具有發(fā)展前景的大市場研發(fā)專用碳纖維技術(shù),充分改良碳纖維的不足,提升碳纖維材料的性價比,提高復(fù)合材料的綜合性能等,都是國產(chǎn)碳纖維技術(shù)發(fā)展需要關(guān)注的問題。