碳纖維的國產(chǎn)化之路

    ——訪碳纖維專家，北京化工大學(xué)徐樑華教授

    徐樑華，北化國家碳纖維工程技術(shù)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，碳纖維及復(fù)合材料研究所所長。發(fā)明出特殊工藝的T700級碳纖維制備技術(shù)及產(chǎn)品，支撐了我國重大型號的研制；率先實現(xiàn)T800級高強中模碳纖維的技術(shù)突破，填補了國內(nèi)空白；研發(fā)成功M40J、M55J等高性能碳纖維國產(chǎn)化技術(shù)，2014年獲國家科技進(jìn)步二等獎。

    Q：5月8日，科技部高技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)研究”課題進(jìn)行技術(shù)驗收，請簡單為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(wèi)星的主材料，一直以來都依賴國外進(jìn)口，這個項目的驗收具有兩方面的重要意義：一是工藝技術(shù)的國產(chǎn)化，從以往的經(jīng)驗來看，碳纖維的制備遵循強度和模量相互制約的規(guī)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(jié)構(gòu)，模量高、強度差，怎么能將兩種結(jié)構(gòu)特征結(jié)合起來，是我們面臨的挑戰(zhàn)。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(chǔ)科學(xué)，提出了高強高模碳纖維的結(jié)構(gòu)模型，通過M40J的技術(shù)研發(fā)，驗證了這個模型的合理性后，我們一直以這個模型來指導(dǎo)我們的關(guān)鍵技術(shù)研究。二是裝備國產(chǎn)化，高模量纖維的關(guān)鍵工藝就是高溫石墨化，溫度高達(dá)2500℃以上，爐子一直是我們的軟肋。這個項目中，合作企業(yè)也是非常有經(jīng)驗，爐子仍是反復(fù)討論、設(shè)計、修改，最終通過驗證。工藝和裝備都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，對國外的依賴性降低，面對封鎖控制才不會受制于人。

    這個項目的亮點是將用戶（北京衛(wèi)星制造廠）結(jié)合在一起，將成品及時供給應(yīng)用部門進(jìn)行驗證。國產(chǎn)碳纖維就面臨過這樣的問題，碳纖維性能優(yōu)良，但是制備成復(fù)合材料后差距拉大，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年還在可承受范圍之內(nèi)，但是M55J成本較高，對于長時間的考核、驗證，經(jīng)費消耗會非常龐大。我們項目一開始就將用戶結(jié)合到課題中，經(jīng)過3年，我們將關(guān)鍵工藝、裝備、工程化應(yīng)用的問題并案研究，做出的纖維滿足應(yīng)用需求，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件性能也達(dá)到設(shè)計要求，節(jié)省了時間、降低了成本、提高了效率，這種產(chǎn)、學(xué)、研、用合作模式是非常值得借鑒的。

    Q：目前占市場主導(dǎo)地位的是PAN基碳纖維，請簡單為我們介紹一下該碳纖維的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)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，約占碳纖維產(chǎn)品的90%。國外的研究從20世紀(jì)60年代開始，我們是20世紀(jì)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(fā)展。為什么在徘徊？就是缺少基礎(chǔ)研究。從事纖維研究的企業(yè)或企業(yè)性質(zhì)的研究所，大部分精力花在解決工程問題上，核心的基礎(chǔ)研究沒有關(guān)注。

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    現(xiàn)在國內(nèi)主流技術(shù)二甲基亞砜法就是我們在2000年突破的，在這之前我們做了2~3年的基礎(chǔ)研究，把碳纖維看作高分子材料，回歸到基礎(chǔ)的科學(xué)問題，遵循高分子材料的客觀規(guī)律，將復(fù)雜的問題簡單化。從那以后，我們就找對了方向，快速地發(fā)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(nèi)建成了第一條產(chǎn)業(yè)化線，到現(xiàn)在18年了，與國外在關(guān)鍵技術(shù)上的差距在縮小。

    產(chǎn)業(yè)上還有代差，5個部分組成的產(chǎn)業(yè)體系還不是很完善。截至2017年底理論產(chǎn)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(chǎn)能釋放率才29%，國際上平均達(dá)到65%，東麗有時能達(dá)到70%。產(chǎn)能釋放率低反映了我們產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟度比較低，根本原因就是體系建設(shè)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(chǎn)業(yè)化裝備是從引進(jìn)起步的，國內(nèi)的消化、吸收、再創(chuàng)新做得不好，導(dǎo)致生產(chǎn)中往往是工藝去迎合裝備，這樣就會出現(xiàn)問題，引進(jìn)的時候不是按照生產(chǎn)線引進(jìn)，而是按照裝置引進(jìn)，自己去組裝建設(shè)，供應(yīng)商保證單個設(shè)備滿足技術(shù)要求，是否能建成產(chǎn)業(yè)線是不會管的，我們沒有更多的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗，不能提出圍繞工藝的產(chǎn)業(yè)化裝備需求，導(dǎo)致很多裝備生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計目標(biāo)。

    像幾十噸到百噸級這樣的裝備國內(nèi)還是可以做的，但是千噸級的還存在很多問題。碳纖維產(chǎn)業(yè)化裝備的國產(chǎn)化制造與其他行業(yè)的裝備類似，主要還是靠經(jīng)驗，對仿真、模擬技術(shù)的使用還有所欠缺，這就導(dǎo)致碳纖維生產(chǎn)設(shè)備特有的溫度場和氣流場在靜態(tài)情況下滿足要求，但到了生產(chǎn)時的動態(tài)環(huán)境，“兩場”波動就比較大，這就導(dǎo)致生產(chǎn)出來的碳纖維質(zhì)量波動比較大。國外對設(shè)備也有一定的限制，尤其是美國，還會限定設(shè)備的溫度。德國就稍微好一些，與中國的企業(yè)合作，在中國生產(chǎn)，只要不是用于高端碳纖維的制備，條件還是比較寬松的。美國限定1800℃以上是需要許可證書的。

    國產(chǎn)設(shè)備我認(rèn)為主要問題還是缺少設(shè)計模擬，引進(jìn)、消化、仿制這樣的逆向思維可能實施起來難度還是比較大的，因為國外的產(chǎn)品更新?lián)Q代比較快，水平也在提高。例如預(yù)氧化設(shè)備，它需要氣循環(huán)，不同的纖維品種、不同的規(guī)格，采用的循環(huán)方式是不一樣的。因為我們不會設(shè)計，只能依靠引進(jìn)設(shè)備的循環(huán)方式，這就比較被動。碳纖維的發(fā)展需要重視裝備，不是大家認(rèn)為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(jù)自己的工藝進(jìn)行二次改造，裝備制造商是不讓參與的，而國內(nèi)幾乎沒有二次改造，進(jìn)口裝備都不敢動，有的企業(yè)會有一點小的改造。

    觀察國內(nèi)的碳纖維企業(yè)，凡是自己裝備能力比較強的產(chǎn)業(yè)化都做得比較好，反之則反。這個現(xiàn)象是很明顯的，所以我們提倡碳纖維企業(yè)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制造商比較難，美國、德國的裝備是面向全世界，市場比較大，而中國的裝備制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(yè)對碳纖維領(lǐng)域不感興趣；有興趣介入的，前期投入會比較高，現(xiàn)在一條產(chǎn)業(yè)化線成本就在1.5億左右，研制的投入至少需要2個億，并且短期內(nèi)很難看到效益，可能需要建設(shè)幾十條線才能產(chǎn)生回報，國內(nèi)還沒有那么大的市場，所以境遇就比較尷尬。這種關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的技術(shù)研發(fā)、儲備和條件支撐單靠市場行為是行不通的。

    Q：國產(chǎn)碳纖維在高端領(lǐng)域廣泛應(yīng)用還有哪些挑戰(zhàn)？高質(zhì)量和低成本應(yīng)該怎樣去實現(xiàn)？

    A：目前國內(nèi)碳纖維企業(yè)大馬拉小車，可以保證在高端領(lǐng)域質(zhì)量的穩(wěn)定性。我們現(xiàn)在所說的質(zhì)量不穩(wěn)定，深層次是使用過程中的波動，即使用工藝性。一是纖維制成復(fù)合材料后，應(yīng)用部門會對標(biāo)國外產(chǎn)品，先入為主再加上對國外纖維的熟練順手，定性的概括為不好用，其實還有很多深層次的問題有待挖掘。二是強度轉(zhuǎn)移力低，纖維性能對標(biāo)國外產(chǎn)品是差不多的，但復(fù)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制備過程中的精細(xì)化操作不夠。一束纖維理論上每根纖維是很規(guī)整的，但是我們的纖維會有交叉，有交叉的纖維制備成復(fù)合材料不是完全的0°排列，性能就會有所降低，所以現(xiàn)在就給大家強化精細(xì)化制備的要求，從應(yīng)用端來考慮纖維的制備，慢慢把握住問題的脈搏，解決起來應(yīng)該就會比較快了。

    2002年，國內(nèi)從事碳纖維的研發(fā)單位僅有3家，山大、北化、山西煤化所，東華大學(xué)也有一部分，但主要是做凝膠碳纖維。2008年，我協(xié)助建設(shè)中科院寧波材料所碳纖維實驗室，研究單位變成4家。到現(xiàn)在為止，真正做完整的關(guān)鍵技術(shù)研究的不到4家了，從中不難發(fā)現(xiàn)，研發(fā)力量在萎縮。我經(jīng)常也在思考這個問題，也提出過書面建議，我們的基礎(chǔ)研究還需要加強，研發(fā)隊伍要擴大，有3~5個研發(fā)單位，適度的競爭與合作互動是好事，如果獨家發(fā)展，方向有可能會走歪。我們的研發(fā)成果都在實施產(chǎn)業(yè)化，但是我自己不做產(chǎn)業(yè)化，和企業(yè)分工協(xié)作，我就集中做技術(shù)研發(fā)，畢竟精力是有限的。碳纖維這個材料非常復(fù)雜，實驗室同樣具備產(chǎn)業(yè)化的特征，是產(chǎn)業(yè)線的縮小版，沒有3~5年的深入研究，入門都很難。

    國產(chǎn)碳纖維相對來講成本偏高一些，成本高，我們認(rèn)為它不單純是經(jīng)濟問題，而是深層次的技術(shù)問題。能源費貴、設(shè)備貴這都只是其中一個因素，更多的是技術(shù)因素。產(chǎn)能沒有釋放、裝備技術(shù)不過關(guān)、上漿劑占比高、纖維合格率低、質(zhì)量不能滿足應(yīng)用要求等都是技術(shù)問題。高質(zhì)量、低成本通過合理的技術(shù)手段是可以實現(xiàn)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(biāo)，這個目標(biāo)是差不多的，基本已經(jīng)達(dá)到極限。對復(fù)合材料企業(yè)，降低成本應(yīng)該在復(fù)材的成型工藝上和工裝上下功夫。

    Q：碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化是產(chǎn)學(xué)研合作的典范，您在合作過程中是否遇到一些問題制約著項目的推進(jìn)？同質(zhì)化發(fā)展的碳纖維企業(yè)較多，給市場帶來哪些問題？想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展，您有哪些建議？

    A：以前大家認(rèn)為校企合作，各取所需，研究人員關(guān)注名、企業(yè)關(guān)注利，但是現(xiàn)在科研人員也關(guān)注利了，企業(yè)也關(guān)注名了，重疊以后就容易出現(xiàn)矛盾。與企業(yè)的合作過程中責(zé)任和利益是其間遇到的第一個大問題。另外，由于企業(yè)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著合作的深入。科研人員和企業(yè)肯定不是一對一合作，有時候與企業(yè)合作到一定程度后，他們會豎起壁壘，對研究人員進(jìn)行封鎖，往往就會導(dǎo)致最后一步走不好。

    從去年開始，我覺得碳纖維行業(yè)在逐漸變好，已經(jīng)裝備運行的企業(yè)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(yè)中，13家采用二甲基亞砜技術(shù)、2家是硫氰酸鈉技術(shù)、1家是二甲基乙酰胺技術(shù)，這就是國內(nèi)的整體格局。為什么說去年情況變好了呢？因為去年有七八家企業(yè)停產(chǎn)了，停產(chǎn)以后對產(chǎn)能的影響是2000噸，產(chǎn)能小、水平不高在競爭中就會被淘汰。如果再調(diào)整七八家，國內(nèi)碳纖維行業(yè)的集成度進(jìn)一步提高，行業(yè)的競爭優(yōu)勢會更好。競爭與整合對企業(yè)來說比較殘忍，因為碳纖維企業(yè)投入比較大，但是從產(chǎn)業(yè)的發(fā)展來看，這是必須經(jīng)歷的陣痛。我們希望企業(yè)發(fā)展好、行業(yè)發(fā)展好，企業(yè)好了我們?nèi)兆右埠茫芯咳藛T和行業(yè)是相輔相成的。現(xiàn)在的碳纖維企業(yè)多是同質(zhì)化發(fā)展，做的東西也一樣，想要整合也比較困難。

    碳纖維行業(yè)有個非常大的瓶頸和軟肋就是缺乏纖維應(yīng)用設(shè)計能力。簡單來說，所有的碳纖維都是國外先用，我們學(xué)的，國內(nèi)沒有開發(fā)出新的應(yīng)用領(lǐng)域。因為我們不會設(shè)計，通過各種渠道了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(lǐng)域還是有一些設(shè)計能力的，畢竟發(fā)展的時間比較長，其他工業(yè)領(lǐng)域幾乎沒有創(chuàng)新設(shè)計能力，所以中國一定要培育自己的纖維應(yīng)用設(shè)計人才。如果這個問題不解決，這個行業(yè)會一直被憋住。我認(rèn)為可以把高校里面力學(xué)設(shè)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(yīng)用的數(shù)據(jù)庫，航空航天有一些，但是這個數(shù)據(jù)是保密的。碳纖維復(fù)合材料更大的市場在工業(yè)領(lǐng)域，缺少應(yīng)用設(shè)計人才和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐，相對金屬材料比較完善的人才和設(shè)計手冊來講，難度較大。10年前我就在呼吁建立數(shù)據(jù)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，了解大體框架，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(xiàn)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

    總體來說，碳纖維行業(yè)堅定地走國產(chǎn)化這條道路是非常好的，航空航天領(lǐng)域大家心比較齊，只要國內(nèi)有的我們不用國外的。我們也要認(rèn)清現(xiàn)實，報道要實事求是，不能虛胖，不然容易誤導(dǎo)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(fā)展已經(jīng)比較快了，出現(xiàn)任何問題都是正常的，不用回避。希望同心協(xié)力，實現(xiàn)碳纖維產(chǎn)業(yè)良好、健康的發(fā)展。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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