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      院士解析·李仲平:如何認識神奇的碳纖維
      時間:2022年10月13日 來源:學習時報  作者:佚名 瀏覽次數:

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      李仲平(1964.08—),復合材料專家,中國工程院院士,F任中國工程院黨組成員、副院長。長期從事航天極端環境復合材料應用基礎研究、工程應用研究以及型號研制。負責并帶領團隊探明天線罩熱透波、防熱復合材料微觀燒蝕、高效防隔熱等機理,提升一代、發展兩代防隔熱材料體系;創新發展燒蝕防熱樹脂液體成型方法與應用技術,成為燒蝕防熱復合材料主要工藝;主持我國宇航級碳纖維國產化攻關,構建研制技術體系與自主保障能力;主持創建我國第一代臨近空間材料體系,支撐了臨近空間與高超聲速飛行器引領發展;研制出系列新材料與防熱結構,支撐保障了再入機動、精確制導、滑翔、小型化等型號跨代發展及探月、探火等航天重大工程成功。曾獲國家科技進步特等獎1項、一等獎1項、二等獎2項。
      在陶瓷、稀土、合金、有機硅等新型材料中,有一種材料具有十分獨特的優越性,它就是被譽為“新材料之王”的碳纖維。小到球拍、釣魚竿等民用產品,大到飛機、衛星和導彈等高精尖設備,都是碳纖維大展身手的領域。正是因為有著耐高溫、耐腐蝕、重量輕等諸多特殊性能,碳纖維一直以來都是國外進行技術封鎖和產品壟斷的戰略物資。再加上碳纖維的制造難度高、工藝復雜等原因,導致我國碳纖維的研究和發展在過去很長一個時期處于落后狀態。
      20世紀80年代,我國組織全國力量開展碳纖維研制攻關,近年來已相繼實現了多個系列和級別的碳纖維國產化,而且解決了宇航級碳纖維的自主保障問題,使我國成為繼日本、美國之后第三個掌握宇航級碳纖維技術的國家。
      隨著航空航天、風力發電、氫能源和新能源汽車等產業的發展,碳纖維行業正步入發展的快車道。在碳纖維的研究領域,我們實現了哪些重大突破?未來在碳纖維產業化的道路上,我們還有哪些問題亟待解決?
      碳纖維為什么神奇
      一桶標準的碳纖維,重約1公斤,長15000米。它的顏色黑黑的,其貌不揚,但是它確實很神奇。它是由我們人造的有機纖維經過高溫轉化得到的含碳量達到90%以上的一種無機纖維,也叫“黑黃金”。為什么說是神奇的碳纖維呢?主要體現在五個方面。
      第一是細如發絲。碳纖維直徑大概在5—8微米。
      第二是輕如鴻毛。碳纖維的密度是鋼的五分之一,是鈦的五分之二,是鋁的五分之三。用碳纖維做成的自行車,重量僅僅5公斤,一位女士就可以很輕易地把它單手提起來。
      第三是強如鋼鐵。碳纖維很強,首先它的強度高,一束標準12K碳纖維,可以承受130公斤左右的重量。其次碳纖維非常耐高溫,碳纖維在3000 攝氏度下依然安然無恙。
      第四是制備非常難。它的制備難度與航空發動機制造、芯片制造、微納制造是可以比擬的,它也是集人類工業文明之大成的一個杰作。碳纖維制備流程非常長,它包括上百個細分的工序,目前統計有兩千多個要控制的參數,是一個確確實實需要千錘百煉的過程。有專家統計,如果純粹靠實驗來研制碳纖維,所需要做的實驗次數是10的6次方到10的7次方。如果每天做10次實驗,碳纖維的研制需要上千年甚至更長的時間,所以是一個非常艱難的研發、制備過程。
      第五是貴如黃金。因為碳纖維的制備非常難,流程非常長,所以它非常貴。目前宇航級的碳纖維,它的價格每公斤在千元到萬元這個范圍,是鋼和鋁合金的幾十倍。
      碳纖維還有其他很多優點,比方說它的耐腐蝕性能好,能耐各種酸、堿、油,還包括海洋環境,它的耐腐蝕性能優于黃金和白金。同時碳纖維還有一個非常奇特的特點,就是它的膨脹系數接近0,在負100攝氏度到正100攝氏度之間,它的尺寸基本保持不變。另外把碳纖維做成復合材料以后,它的抗疲勞性能非常好。
      碳纖維有什么用
      碳纖維材料從無到有,經歷了100多年的歷史。它的出現推動了相關領域的技術進步,同時也形成了一個巨大的消費市場。據相關數據統計,目前全球碳纖維產能已經突破了10萬噸量級。如此數量的碳纖維究竟被應用在哪些領域?它又如何改變著我們的生活?
      碳纖維有什么用?主要包括以下三個方面。
      第一,碳纖維是航空航天競爭力的一個重要標志。中國已經成為世界上第三個自主擁有衛星導航系統的國家,在這方面碳纖維是功不可沒的。北斗衛星,看起來就像一座房子帶著兩只翅膀,它的房子和翅膀都是用碳纖維復合材料做的。為什么要用碳纖維?首先,衛星要裝足夠多的儀器設備,要求它的結構重量比要小于5%,所以必須用碳纖維;其次,衛星的天線、相機等設備要求很高的精度,要解決熱變形的問題,碳纖維正好有這方面的優勢,所以現在包括北斗衛星在內的高性能衛星都是碳纖維復合材料化的衛星。
      第二,碳纖維是提升競技體育成績的一個制勝法寶。碳纖維在體育器材上應用廣泛。碳纖維的網球拍現在已經成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網球拍,最高球速可以達到每小時將近250公里,但是高性能的鋁合金網球拍只能達到每小時200公里左右,速度提高了20%以上。剛剛退役的網球運動員費德勒,就是用Pro staff這種碳纖維網球拍獲得了20屆大滿貫的冠軍。
      第三,碳纖維將是第四次工業革命一個重要物質支撐。即將到來的星際航行、清潔能源和人工智能時代,碳纖維也將大有作為。人類要進入宇宙空間,要探索月球,要進行載人登月,要探測火星,也有可能要進行載人火星探測,要探索其他行星和小行星。無論進入宇宙空間到駐留宇宙空間,再到探索宇宙空間,包括今后建立宇宙空間的科考站,碳纖維都是不可或缺的。
      今后會有大量的智能機器人,以機器人為代表的智能裝備,必須解決結構重量的問題,要輕量化,以保證它們的行走里程、續航時間等指標的完成。另外,這些智能裝備、機器人必須具備動態響應特性,碳纖維的復合材料在這方面有其他材料不可比擬的優勢。在第四次工業革命前夕,在即將進入智能化、智慧化社會這個過程中,碳纖維和碳纖維復合材料將發揮越來越重要的作用。
      我國在碳纖維領域有哪些重大突破
      性能優異的碳纖維,因為制備難、技術壁壘高等特點,逐漸成為全球在材料研究領域展開競賽的目標。特別是由于發達國家對碳纖維技術進行嚴格的專利保護和全面的技術封鎖,導致新興國家在發展碳纖維上舉步維艱。我國早在20世紀50年代后期就展開了碳纖維的技術研究,但由于基礎研究落后,碳纖維的產業發展一直在低水平徘徊,與國外的差距逐漸拉大。
      2000年以后,全球碳纖維供不應求,進口碳纖維非常困難,嚴重影響國防安全。在此關鍵時刻,2001年,83歲的戰略科學家師昌緒院士給中共中央寫了《關于加速開發高性能碳纖維的請示報告》,得到高度重視,對推動我國碳纖維研發與投入產生了深遠影響。
      歷經多年艱苦攻關,如今我國宇航級碳纖維的產品性能已經達到國外同類產品水平。從落后到奮起直追,我國在碳纖維研究的關鍵技術上取得了哪些重大突破?未來在碳纖維應用領域,還有哪些亟待開拓的空間?
      我們解決了國產宇航級碳纖維的有無,這是一個很不簡單的事情。到目前為止,中國碳纖維主要的成績體現在以下三個方面。
      第一是突破了碳纖維制備的關鍵技術,相繼實現了系列碳纖維(包括T300級、T700級和T800級)的國產化,解決了航天、航空等國防工業的自主保障問題。
      第二是建立了若干個高水平碳纖維和復合材料的研究研制平臺,形成了包括高校、科研院所、大型企業在內的研發格局,正在推動碳纖維和復合材料的發展進入一個新階段,這個新階段可以說是從量變到質變的過程。
      第三是在這些工作的基礎上,建立了百噸級的宇航級碳纖維生產線,后續又相繼開工了工業級的一些碳纖維生產線,所以國外碳纖維的價格就發生了很大變化。大概2009年到2014年這5年,T700這種工業級的碳纖維價格降到了原來的三分之一,宇航級碳纖維價格降到了以前的十分之一。所以自主解決碳纖維的有無,無論是從經濟上,還是從社會效益方面都有很大的貢獻。
      2010年后,地方政府的積極性和熱情大漲,民營企業投資的熱度非常高,所以國內的碳纖維生產線放量建設,最多的時候碳纖維企業達到了40多家。近兩年這種放量的趨勢正在放緩,在高質量發展的推動下,現在不再一味追求增加產能。近期我國大型國企正在尋求建立高水平的研發團隊和研發平臺,推動產業的升級和轉型。
      未來碳纖維的產業之路該如何走
      在應用方面,現在碳纖維還比較普遍地存在用不起和不會用的問題,很多工業領域目前還不會用碳纖維,F階段形成了碳纖維發展的一個天花板,但是這個天花板不是固定的。目前亟須解決以下幾個問題。
      實現物美價廉。要做到價廉,解決貴的問題,首先是降低成本,就是要把生產線的效率提上來,包括工藝裝備的容量,聚合釜的容量,紡絲的幅寬,碳化的幅寬。這中間裝備的設計和研制是非常關鍵的,應該盡快解決單線產能從數百噸級提高到兩千噸級。
      拓寬應用領域。要擴大應用,首先是擴大我國民用航空的應用。未來,中國在20年內需要9000架民用客機,年均大概是450架。如果每架飛機碳纖維平均用量能達到5噸,那么碳纖維的年均需求就可以達到2250噸,這個數量遠遠超出我國目前軍用、國防、航空碳纖維的用量,可以有力地拉動碳纖維的應用和發展。
      汽車輕量化和綠色低碳化這個發展潮流不可阻擋,也將為我國碳纖維和復合材料行業帶來巨大的市場拉動力。據估計,2025年中國的汽車產量將達到3000萬輛,如果每輛汽車用5公斤碳纖維,這樣碳纖維的總用量也能達到15萬噸,這是碳纖維一定要千方百計突破的一個應用出口。
      還有一個很重要的方面,我國碳纖維在體育用品方面的用量,2020年已經達到了1.46萬噸,但是主要是帶料加工,用的主要還是國外的纖維,這是一個很大的市場。因為中國的人口基數大,同時還能帶動我國健康產業碳纖維應用,這個市場也能達到數萬噸的規模。
      加大自主創新。要創新發展,加快解決高強、高模、高韌這一類碳纖維的自主發展問題。我們不可能從國外跟蹤甚至引進來解決這個問題,需要做碳纖維和用碳纖維的人一起來解決第三代先進復合材料創新的問題,要搶占科技制高點。
      另外,創新發展還有一個很重要的方向,就是要發展顛覆性的低成本技術,如果能實現這樣一個目標,就是劃時代的成就。要把碳纖維的價格降到每公斤10美元以下,現在距離這個目標還有比較大的距離。能不能另辟蹊徑?從目前來看有兩個方向。
      第一就是變革性的原絲技術,不用現在的聚丙烯腈,用天然纖維(天然廢物的纖維),像木質素,或者用非常容易制造的低成本的有機纖維,甚至還有人提出可以用澳大利亞的羊駝跟其他原材料一起混紡的纖維,這些途徑都值得探索。目前迫切需要變革性的原絲技術,因為原絲的成本在碳纖維成本中占到了50%左右。
      第二就是要發展變革性的碳化技術,碳化的成本也占到了碳纖維成本20%以上,F在有一些方向,要做短流程的碳化,用等離子體輔助的碳化這樣一些變革性的碳化技術,碳纖維最終實現大規模工業應用,進入千家萬戶,要跨過這個門檻。
      現在來看,世界上無論從碳纖維本身,還是從碳纖維的應用,仍然存在巨大的未知和沒有開拓的空間。隨著科技和工業革命的深入發展,碳纖維必將大展宏圖,既能夠幫助我們遨游太空,也將走入千家萬戶,真正成為第四次工業革命重要的助推力量。

      來源:學習時報

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