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从贵族走向平民碳纤维迎高端需求爆发——访中国航天科技集团公司高级技术顾问、中国工程院院士 杜善义
2018年2期 发行日期:2018-01-15作者:■ 本刊记者 唐茵

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      碳纤维“外柔内刚”,具有耐腐蚀、高模量的特性,是新一代增强纤维。国内碳纤维产业自20世纪60年代起步,虽然在国家的大力支持、相关单位的共同努力下,行业在技术水平、产业布局、产能规模等方面都取得了长足进步,但是与发达国家相比还存在一定的差距。随着我国国防、航天航空、轨道交通等行业实力的迅速壮大,被誉为“黑色黄金”的碳纤维及其复合材料迎来了发展的风口。“十三五”期间,碳纤维及其复合材料被继续列为我国国家战略性新兴产业发展规划中重点发展的材料;2017年科技部发布的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》将碳纤维及其复合材料列为重点方向。
  本刊编辑部从本期起将推出系列报道“聚焦新时代下的碳纤维”,通过走访行业专家、产业链重点企业对行业发展现状、面临的瓶颈以及未来的方向进行调研,以期为读者呈现出一幅碳纤维产业的蓝图。


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中国航天科技集团公司技术顾问、中国工程院院士杜善义


  从“7511”会议开始,中国碳纤维技术及产业逐渐发展;本世纪初,碳纤维在国家重视、军和民相关研发及企业单位积极响应下得到了飞速发展,特别是随着一批民营企业的崛起,碳纤维行业不断壮大,技术水平突飞猛进,满足了国内部分需求并具备了一定的国际竞争力。但我国碳纤维在产量与质量上与世界强国仍有差距,碳纤维复合材料应用尚有许多问题待解决。要打破日美垄断,提升在国际碳纤维领域的话语权,碳纤维业界仍需“撸起袖子加油干”。行业发展面临哪些挑战?高端应用瓶颈如何突破?未来发展的着力点在哪?本刊记者近日采访了中国碳纤维及其复合材料领域的带头人——中国工程院院士杜善义。


从“7511会战”到1亿元专项


  1975年11月对于我国碳纤维产业来说,具有里程碑式的意义,时任国防科委副主任的张爱萍上将,主持召开了1975年11月份关于碳纤维的“7511”会议。“碳纤维是军民两用战略性材料,由于各种原因,碳纤维的研发和应用进展不令人满意。在本世纪初,导弹在等碳纤维、火箭在等碳纤维、卫星在等碳纤维、飞机在等碳纤维。”杜善义回忆道,“‘十五’开始,由于有关科学家的重视和建议,国家开始重视碳纤维。师昌绪院士首先给中央领导写信,建议对碳纤维产业发展的支持要提升到国家层面。之后,我和黄瑞松院士也给中央有关领导写信,反映了我国碳纤维的现状,并建议加快发展,尽快满足急需。在此情况下,科技部设立了碳纤维的专项。”尽管当时的专项基金很有限,但却充分调动起了碳纤维研发单位特别是民营企业的积极性,一批企业开始从事碳纤维的研发。
  “‘十五’至今的17年时间,碳纤维的发展可谓突飞猛进。”杜善义对近几年的行业发展情况这样评价:我国建立起了一批以威海拓展、常州中简、连云港神鹰、镇江恒神等民营企业为代表的碳纤维企业。碳纤维技术已被攻克,具备了由低端至高端的碳纤维研发和生产能力;国产碳纤维及其复合材料已在航空航天及其他领域得到应用。国内一些有基础的碳纤维企业在产量和质量不断提高的同时,也出现一些新型的碳纤维产业。以威海荣成市与康得集团出资建设的碳谷项目,预计2023年建成后,具备年产6.6万吨碳纤维的能力。“所以从这些方面来看,中国碳纤维正处于一个蓬勃发展的关键阶段。特别是最近这十几年的发展有基础、有底气、有产能、有产量、有质量。”杜善义表示。


从跟随走向引领


  杜善义坦言,虽然进入新世纪,我国碳纤维产业面貌日新月异,但若想打破日美垄断,推动碳纤维及复合材料产品和应用创新从跟随走向引领,需要跨越以下几道门槛:
  一是产不足需,规模化水平有限。碳纤维虽然国内产能超过万吨,但产量不足,初步看仅有两三千吨。以2016年为例,国内需求在两万吨左右,占世界的1/4左右。供应缺口明显,规模化水平有待提升。“产量上不去,主要是产业化程度还不高。企业运作要考虑资本的问题,也比较担心产出后在国内卖不出去,国外市场又难以打开。”杜善义分析道。
  二是成本高。为什么成本高?杜善义认为,主要是许多碳纤维企业的设备,例如聚合炉、氧化炉、低温碳化、高温碳化或者石墨化设备等,目前仍然依赖进口;用量较少,开工率低,必然促使成本高。
  三是下游局面未打开。要打破此种局面,关键是要解决碳纤维及其复合材料如何应用的问题。要会用、敢用、好用、多用。
  “目前来看,差距主要是体现在产业的规模、成本、产品质量稳定性等,从技术上来看,差别并不大。”杜善义表示。为促进碳纤维产业的发展,科技部2017年发布的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》将碳纤维及其复合材料列为重点方向之一。


从“贵族材料”向“平民材料” 恰逢其时


  杜善义认为,航空航天、汽车、能源、海洋工程、轨道交通等将成为拉动碳纤维及其复合材料应用增长的重点领域。从全球来看,整个碳纤维和复合材料的增量比其他材料高,逐渐在很多领域取代一些传统材料。“过去我们主要在国防与航空航天应用,先进复合材料被认为是‘贵族材料’,现在来看,能源、交通、海洋工程的应用不断增长。从‘贵族材料’逐渐向‘平民材料’发展,恰逢其时。随着碳纤维及其复合材料产业的成熟壮大以及下游产业的升级,平民化的需求将越来越迫切,用量也将迎来爆发式增长。”
  我国碳纤维及其复合材料在航天航空领域的应用占比与全球20%的平均水平相比偏低。“从国内来看,在航天领域应用比较多。航天固体火箭发动机已经实现复合材料化,卫星85%以上是用复合材料,飞船、导弹弹体基本都是复合材料,但由于行业特点,总量并不大,增量有限。”国内航空领域的无人机、直升机、商用飞机、公务机的数量不断增加,碳纤维复合材料在这些领域的用量会逐渐上升。在C919上,复合材料用量已实现了一定的突破,达到12%左右,应用于平尾、垂尾、后机身等重要部位。歼击机与直升机等的复合材料用量也在不断增加,但仍有较大提升空间。飞机上复合材料的用量代表了技术的先进程度和竞争力。因此,未来的C929飞机,对复合材料的应用要提升至50%以上,飞机结构复合材料化是未来的大势所趋。“为追求装备本身的先进性和国际化的竞争力,现在航空航天都在重视这件事,碳纤维复合材料的应用比例会随之迅速攀升。”杜善义认为。
  在汽车领域,碳纤维复合材料的应用潜力更大。2016年中国汽车销量为2803万辆,比上年增长14.1%,2025年预计达到3500万辆。如果每辆汽车使用1千克碳纤维,每年仅汽车行业就需要3万多吨碳纤维。当前,国内整车厂和碳纤维生产企业,都十分注重汽车零部件用碳纤维复合材料的研究。杜善义认为,未来电动汽车的全面推广对碳纤维复合材料的应用将有更大促进作用:“电动汽车更要轻量化,因为电池本身就很重,其他零部件和车身必须要轻,不然续航里程上不去。这方面的需求很迫切。”
  杜善义表示,汽车行业对碳纤维的应用需要一个循序渐进的过程。整车厂关心成本和回收的问题,并且原有生产线都是按照铝合金等材料部件来设计的,现在改成复合材料后,生产线的变化也需要经历一段时期,但汽车行业已经将其提上日程。
  与此同时,我国还开发了轨道交通材料内饰、司机室夹层结构和大型承力转向架结构技术;我国复合材料风电叶片年均需求量将超过1.4万套,目前已完成7MW级风电叶片的设计和生产。这些都为碳纤维复合材料的大面积推广奠定了基础。

  让贵族材料平民化,要追求的不仅仅是低成本。促进我国碳纤维产业国际竞争力的提升,低水平重复建设并不是解决之道,扩大平民化的用量才是碳纤维行业中的有志之士应该思索的。


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