從“7511”會議開始，中國碳纖維技術(shù)及產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展；本世紀初，碳纖維在國家重視、軍和民相關(guān)研發(fā)及企業(yè)單位積極響應下得到了飛速發(fā)展，特別是隨著一批民營企業(yè)的崛起，碳纖維行業(yè)不斷壯大，技術(shù)水平突飛猛進，滿足了國內(nèi)部分需求并具備了一定的國際競爭力。但我國碳纖維在產(chǎn)量與質(zhì)量上與世界強國仍有差距，碳纖維復合材料應用尚有許多問題待解決。要打破日美壟斷，提升在國際碳纖維領(lǐng)域的話語權(quán)，碳纖維業(yè)界仍需“擼起袖子加油干”。行業(yè)發(fā)展面臨哪些挑戰(zhàn)？高端應用瓶頸如何突破？未來發(fā)展的著力點在哪？本刊記者近日采訪了中國碳纖維及其復合材料領(lǐng)域的帶頭人——中國工程院院士杜善義。
中國航天科技集團公司高級技術(shù)顧問、中國工程院院士 杜善義
從“7511會戰(zhàn)”到1億元專項
1975年11月對于我國碳纖維產(chǎn)業(yè)來說，具有里程碑式的意義，時任國防科委副主任的張愛萍上將，主持召開了1975年11月份關(guān)于碳纖維的“7511”會議。“碳纖維是軍民兩用戰(zhàn)略性材料，由于各種原因，碳纖維的研發(fā)和應用進展不令人滿意。在本世紀初，導彈在等碳纖維、火箭在等碳纖維、衛(wèi)星在等碳纖維、飛機在等碳纖維。”杜善義回憶道，“‘十五’開始，由于有關(guān)科學家的重視和建議，國家開始重視碳纖維。師昌緒院士首先給中央領(lǐng)導寫信，建議對碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持要提升到國家層面。之后，我和黃瑞松院士也給中央有關(guān)領(lǐng)導寫信，反映了我國碳纖維的現(xiàn)狀，并建議加快發(fā)展，盡快滿足急需。在此情況下，科技部設立了碳纖維的專項。”盡管當時的專項基金很有限，但卻充分調(diào)動起了碳纖維研發(fā)單位特別是民營企業(yè)的積極性，一批企業(yè)開始從事碳纖維的研發(fā)。
“‘十五’至今的17年時間，碳纖維的發(fā)展可謂突飛猛進。”杜善義對近幾年的行業(yè)發(fā)展情況這樣評價：我國建立起了一批以威海拓展、常州中簡、連云港神鷹、鎮(zhèn)江恒神等民營企業(yè)為代表的碳纖維企業(yè)。碳纖維技術(shù)已被攻克，具備了由低端至高端的碳纖維研發(fā)和生產(chǎn)能力；國產(chǎn)碳纖維及其復合材料已在航空航天及其他領(lǐng)域得到應用。國內(nèi)一些有基礎的碳纖維企業(yè)在產(chǎn)量和質(zhì)量不斷提高的同時，也出現(xiàn)一些新型的碳纖維產(chǎn)業(yè)。以威海榮成市與康得集團出資建設的碳谷項目，預計2023年建成后，具備年產(chǎn)6.6萬噸碳纖維的能力。“所以從這些方面來看，中國碳纖維正處于一個蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵階段。特別是最近這十幾年的發(fā)展有基礎、有底氣、有產(chǎn)能、有產(chǎn)量、有質(zhì)量。”杜善義表示。
從跟隨走向引領(lǐng)
杜善義坦言，雖然進入新世紀，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)面貌日新月異，但若想打破日美壟斷，推動碳纖維及復合材料產(chǎn)品和應用創(chuàng)新從跟隨走向引領(lǐng)，需要跨越以下幾道門檻：
一是產(chǎn)不足需，規(guī)模化水平有限。碳纖維雖然國內(nèi)產(chǎn)能超過萬噸，但產(chǎn)量不足，初步看僅有兩三千噸。以2016年為例，國內(nèi)需求在兩萬噸左右，占世界的1/4左右。供應缺口明顯，規(guī)模化水平有待提升。“產(chǎn)量上不去，主要是產(chǎn)業(yè)化程度還不高。企業(yè)運作要考慮資本的問題，也比較擔心產(chǎn)出后在國內(nèi)賣不出去，國外市場又難以打開。”杜善義分析道。
二是成本高。為什么成本高？杜善義認為，主要是許多碳纖維企業(yè)的設備，例如聚合爐、氧化爐、低溫碳化、高溫碳化或者石墨化設備等，目前仍然依賴進口；用量較少，開工率低，必然促使成本高。
三是下游局面未打開。要打破此種局面，關(guān)鍵是要解決碳纖維及其復合材料如何應用的問題。要會用、敢用、好用、多用。
“目前來看，差距主要是體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)的規(guī)模、成本、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性等，從技術(shù)上來看，差別并不大。”杜善義表示。為促進碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，科技部2017年發(fā)布的《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》將碳纖維及其復合材料列為重點方向之一。
從“貴族材料”向“平民材料” 恰逢其時
杜善義認為，航空航天、汽車、能源、海洋工程、軌道交通等將成為拉動碳纖維及其復合材料應用增長的重點領(lǐng)域。從全球來看，整個碳纖維和復合材料的增量比其他材料高，逐漸在很多領(lǐng)域取代一些傳統(tǒng)材料。“過去我們主要在國防與航空航天應用，先進復合材料被認為是‘貴族材料’，現(xiàn)在來看，能源、交通、海洋工程的應用不斷增長。從‘貴族材料’逐漸向‘平民材料’發(fā)展，恰逢其時。隨著碳纖維及其復合材料產(chǎn)業(yè)的成熟壯大以及下游產(chǎn)業(yè)的升級，平民化的需求將越來越迫切，用量也將迎來爆發(fā)式增長。”
我國碳纖維及其復合材料在航天航空領(lǐng)域的應用占比與全球20%的平均水平相比偏低。“從國內(nèi)來看，在航天領(lǐng)域應用比較多。航天固體火箭發(fā)動機已經(jīng)實現(xiàn)復合材料化，衛(wèi)星85%以上是用復合材料，飛船、導彈彈體基本都是復合材料，但由于行業(yè)特點，總量并不大，增量有限。”國內(nèi)航空領(lǐng)域的無人機、直升機、商用飛機、公務機的數(shù)量不斷增加，碳纖維復合材料在這些領(lǐng)域的用量會逐漸上升。在C919上，復合材料用量已實現(xiàn)了一定的突破，達到12%左右，應用于平尾、垂尾、后機身等重要部位。殲擊機與直升機等的復合材料用量也在不斷增加，但仍有較大提升空間。飛機上復合材料的用量代表了技術(shù)的先進程度和競爭力。因此，未來的C929飛機，對復合材料的應用要提升至50%以上，飛機結(jié)構(gòu)復合材料化是未來的大勢所趨。“為追求裝備本身的先進性和國際化的競爭力，現(xiàn)在航空航天都在重視這件事，碳纖維復合材料的應用比例會隨之迅速攀升。”杜善義認為。
在汽車領(lǐng)域，碳纖維復合材料的應用潛力更大。2016年中國汽車銷量為2803萬輛，比上年增長14.1%，2025年預計達到3500萬輛。如果每輛汽車使用1千克碳纖維，每年僅汽車行業(yè)就需要3萬多噸碳纖維。當前，國內(nèi)整車廠和碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，都十分注重汽車零部件用碳纖維復合材料的研究。杜善義認為，未來電動汽車的全面推廣對碳纖維復合材料的應用將有更大促進作用：“電動汽車更要輕量化，因為電池本身就很重，其他零部件和車身必須要輕，不然續(xù)航里程上不去。這方面的需求很迫切。”
杜善義表示，汽車行業(yè)對碳纖維的應用需要一個循序漸進的過程。整車廠關(guān)心成本和回收的問題，并且原有生產(chǎn)線都是按照鋁合金等材料部件來設計的，現(xiàn)在改成復合材料后，生產(chǎn)線的變化也需要經(jīng)歷一段時期，但汽車行業(yè)已經(jīng)將其提上日程。
與此同時，我國還開發(fā)了軌道交通材料內(nèi)飾、司機室夾層結(jié)構(gòu)和大型承力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)技術(shù)；我國復合材料風電葉片年均需求量將超過1.4萬套，目前已完成7MW級風電葉片的設計和生產(chǎn)。這些都為碳纖維復合材料的大面積推廣奠定了基礎。
讓貴族材料平民化，要追求的不僅僅是低成本。促進我國碳纖維產(chǎn)業(yè)國際競爭力的提升，低水平重復建設并不是解決之道，擴大平民化的用量才是碳纖維行業(yè)中的有志之士應該思索的。
化學慧納米材料系列產(chǎn)品
