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碳纖維的三次突圍

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文/鄭丹

這是一種從實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的神奇材料:它比鋼強(qiáng)、比鋁輕,直徑僅為頭發(fā)絲的1/10——它就是碳纖維。

從翱翔于藍(lán)天的飛機(jī)到地上跑的汽車(chē)、自行車(chē),從體育運(yùn)動(dòng)者舞動(dòng)的球拍到大草原上畫(huà)出優(yōu)美圓圈的風(fēng)機(jī)葉片……碳纖維這種神奇的材料正在展現(xiàn)更加“接地氣”的一面,飛入尋常百姓家。

俯瞰這種復(fù)合新材料的前世今生,它經(jīng)歷了三次突圍,最后迎來(lái)了產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展。

從燈絲到航空航天部件

回望碳纖維的歷史,可上溯至1845年。美國(guó)辛辛那提的斯塔爾提出,可以在真空泡內(nèi)使用碳絲。在英國(guó),科學(xué)家約瑟夫·斯旺按照這一思路,把一條條碳化紙做成燈絲,發(fā)現(xiàn)這種黑色纖維在電流作用下迸發(fā)光明……1879年,愛(ài)迪生將椴樹(shù)內(nèi)皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等天然纖維定型后進(jìn)行高溫烘烤,得到了碳纖維。愛(ài)迪生發(fā)明的“白熾燈泡碳纖維長(zhǎng)絲燈絲制造技術(shù)”于1892年獲得了美國(guó)專(zhuān)利。

愛(ài)迪生制得的纖維力學(xué)性能較低,在當(dāng)時(shí)也不能工業(yè)化,未能獲得大的發(fā)展。但是,金子總會(huì)閃光。碳纖維這種“工業(yè)黃金”也許注定要被寫(xiě)入材料工業(yè)的重要?dú)v史。其發(fā)展沒(méi)有就此停滯于時(shí)間長(zhǎng)河,在航空和軍工領(lǐng)域的迫切需求下,它最終打開(kāi)了工業(yè)化的大門(mén)。

20世紀(jì)50年代,美國(guó)聯(lián)合碳化物公司開(kāi)發(fā)出了黏膠基碳纖維“Thornel-25”。1959年,日本科學(xué)家近藤昭男以聚丙烯腈(PAN)為原料制備碳纖維的突破性技術(shù),將碳纖維的強(qiáng)度提升了4倍,開(kāi)創(chuàng)了碳纖維工業(yè)化的生產(chǎn)路徑。1971年,日本東麗公司建立了年產(chǎn)12噸的碳纖維生產(chǎn)線,開(kāi)始生產(chǎn)T300(T代表拉伸強(qiáng)度等級(jí),單位為MPa。T后面數(shù)字越大,表示拉伸強(qiáng)度越高,力學(xué)性能也越優(yōu)異)。

1973年,石油危機(jī)使得飛機(jī)迫切需要減重以減少燃料消耗,波音、空客等飛機(jī)制造商開(kāi)始探索碳纖維復(fù)材的應(yīng)用。1982年,波音757和767以及航天飛機(jī)開(kāi)始使用T300碳纖維。

資料顯示,20世紀(jì)70年代中期,碳纖維復(fù)材在軍機(jī)尾翼的垂直尾翼、水平尾翼等部件開(kāi)始逐步使用,之后在機(jī)翼、機(jī)身等主要受力構(gòu)件上使用碳纖維復(fù)材。根據(jù)《2023 全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》,碳纖維復(fù)材在航空航天領(lǐng)域中,商用飛機(jī)應(yīng)用占主要份額,占比達(dá)到36%;軍用飛機(jī)應(yīng)用占比21%;無(wú)人機(jī)應(yīng)用占比達(dá)18%。

在航空航天領(lǐng)域的帶動(dòng)下,始于燈絲這一應(yīng)用的碳纖維成功破局,迎來(lái)了發(fā)展史上的第一次突圍。


中國(guó):從無(wú)到有到T1000

我國(guó)對(duì)碳纖維的研究始于20世紀(jì)60年代中期。1974年7月,中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所開(kāi)始設(shè)計(jì)我國(guó)第一條碳纖維生產(chǎn)線。

國(guó)家集中20余家單位組建攻關(guān)組,在吉林化纖廠搭建實(shí)驗(yàn)線,第一條能生產(chǎn)百萬(wàn)分之一米直徑的生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)了。當(dāng)時(shí),這些勉強(qiáng)達(dá)到T200級(jí)別的初代產(chǎn)品,支撐了我國(guó)早期戰(zhàn)略裝備的試制。

由于碳纖維在軍工和航空航天領(lǐng)域的重要性,國(guó)外一直對(duì)碳纖維出口中國(guó)實(shí)施限制性政策,2020年還曾經(jīng)全面禁售,在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)卡住了中國(guó)國(guó)防和航空業(yè)的“脖子”。

國(guó)際上長(zhǎng)期對(duì)碳纖維實(shí)施技術(shù)封鎖和許可證制度,使我國(guó)在該領(lǐng)域一度受制于人,國(guó)家意識(shí)到了這一點(diǎn)。

2001年,碳纖維304專(zhuān)項(xiàng)被納入國(guó)家“863計(jì)劃”。面對(duì)這一材料不能?chē)?guó)產(chǎn)化的狀況,主抓材料攻堅(jiān)的中國(guó)科學(xué)院院士師昌緒曾說(shuō):“我們的國(guó)防太需要碳纖維了,不能只靠進(jìn)口!如果碳纖維搞不上去,國(guó)防航空被卡了脖子,拖了中國(guó)國(guó)防的后腿,我死不瞑目!”

經(jīng)過(guò)幾十年的努力,我國(guó)碳纖維已形成產(chǎn)業(yè),技術(shù)也不斷推陳出新。2023年,中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)主持召開(kāi)技術(shù)鑒定會(huì),國(guó)產(chǎn)超高強(qiáng)ZA60XC (T1000級(jí))PAN碳纖維千噸級(jí)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)順利通過(guò)專(zhuān)家委員會(huì)的技術(shù)鑒定,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

國(guó)產(chǎn)碳纖維的每一次巨大的進(jìn)步,都在書(shū)寫(xiě)歷史。數(shù)據(jù)顯示,2023年,我國(guó)碳纖維的運(yùn)行產(chǎn)能占全球的近五成、位居第一。如今,中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、吉林化纖、上海石化等企業(yè)已成為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的碳纖維生產(chǎn)商,與西格里、東麗、帝人、赫氏等全球知名碳纖維企業(yè)同臺(tái)競(jìng)技。

中國(guó)碳纖維的入局和發(fā)展,形成了全球碳纖維產(chǎn)能和需求的高峰,讓這一新復(fù)合材料迎來(lái)了發(fā)展史上的第二次突圍。

奧運(yùn)火炬和風(fēng)機(jī)葉片

“自行車(chē)用一兩根手指就能抬起來(lái),碳纖維材料真的神了!”在2019年11月舉辦的第二屆中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)上,品牌館的參觀者們對(duì)一款自行車(chē)嘖嘖贊嘆。

由上海石化采用國(guó)內(nèi)獨(dú)有的NaSCN(硫氰酸鈉)濕法工藝和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維材料制成的自行車(chē)、皮劃艇、齒輪等產(chǎn)品讓這種新材料成功打上了中國(guó)制造的標(biāo)簽。

放眼全球,1971年?yáng)|麗公司建立12噸碳纖維生產(chǎn)線開(kāi)始生產(chǎn)T300碳纖維,并于1972年推出第一個(gè)商業(yè)碳纖維復(fù)材產(chǎn)品魚(yú)竿后,球拍、儲(chǔ)氫瓶、風(fēng)機(jī)葉片、手機(jī)部件……碳纖維在非航空航天領(lǐng)域揮灑下了濃墨重彩的大手筆。

在中國(guó)石化的決策部署下,上海石化于2008年11月建成中試裝置,2009年3月成功研制出12K原絲,2012年9月建成500噸碳纖維生產(chǎn)線。2018年3月,上海石化成功試制出了國(guó)內(nèi)真正意義上的48K大絲束碳纖維。

研發(fā)初期,面對(duì)無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循、無(wú)先例可鑒的困境,工廠堅(jiān)持自主開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)。核心設(shè)備氧化爐、碳化爐,外商不提供關(guān)鍵的工藝說(shuō)明書(shū)和操作流程圖,大家只能默默跟在安裝人員身后觀察,“盲猜”設(shè)備控制邏輯。

十多年來(lái),研發(fā)人員黃翔宇、顧文蘭、李鵬、韓煒、張超峰、吳嵩義等一批攻關(guān)成員接續(xù)努力,“把青絲熬成了白發(fā),將白絲煉成了黑絲”成為對(duì)這一研發(fā)故事的最佳注解。

近年來(lái),上海石化小絲束、大絲束碳纖維作為新材料,成功應(yīng)用于冬奧火炬“飛揚(yáng)”外殼,成為世界首創(chuàng);應(yīng)用于廣州高速地鐵列車(chē)的車(chē)頭罩,成為國(guó)內(nèi)首創(chuàng);成功應(yīng)用于35兆帕氫氣瓶纏繞,又是國(guó)內(nèi)首創(chuàng),彰顯了中國(guó)石化在碳纖維領(lǐng)域的擔(dān)當(dāng)和創(chuàng)新精神;上海石化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)的連續(xù)抽油桿性能優(yōu)良,可替代進(jìn)口。

從2007年至今,18年彈指一揮。上海石化大絲束碳纖維乘風(fēng)破浪,不斷取得新的進(jìn)展。

近日,上海石化先進(jìn)材料創(chuàng)新研究院總經(jīng)理沈偉表示,碳碳復(fù)合新材料在K-8300風(fēng)機(jī)葉輪技術(shù)風(fēng)機(jī)葉輪領(lǐng)域的應(yīng)用,成為公司碳纖維深化應(yīng)用的又一次創(chuàng)舉。

從世界到中國(guó),非航空航天領(lǐng)域的帶動(dòng),讓始于燈絲這一應(yīng)用的碳纖維再次拓展應(yīng)用領(lǐng)域,迎來(lái)了發(fā)展史上的第三次突圍。

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