從“7511”會(huì)議開(kāi)始，中國(guó)碳纖維技術(shù)及產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展；本世紀(jì)初，碳纖維在國(guó)家重視、軍和民相關(guān)研發(fā)及企業(yè)單位積極響應(yīng)下得到了飛速發(fā)展，特別是隨著一批民營(yíng)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(jìn)，滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)部分需求并具備了一定的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。但我國(guó)碳纖維在產(chǎn)量與質(zhì)量上與世界強(qiáng)國(guó)仍有差距，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用尚有許多問(wèn)題待解決。要打破日美壟斷，提升在國(guó)際碳纖維領(lǐng)域的話(huà)語(yǔ)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(yīng)用瓶頸如何突破？未來(lái)發(fā)展的著力點(diǎn)在哪？本刊記者近日采訪(fǎng)了中國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域的帶頭人——中國(guó)工程院院士杜善義。
中國(guó)航天科技集團(tuán)公司高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)、中國(guó)工程院院士 杜善義
從“7511會(huì)戰(zhàn)”到1億元專(zhuān)項(xiàng)
1975年11月對(duì)于我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，具有里程碑式的意義，時(shí)任國(guó)防科委副主任的張愛(ài)萍上將，主持召開(kāi)了1975年11月份關(guān)于碳纖維的“7511”會(huì)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(yīng)用進(jìn)展不令人滿(mǎn)意。在本世紀(jì)初，導(dǎo)彈在等碳纖維、火箭在等碳纖維、衛(wèi)星在等碳纖維、飛機(jī)在等碳纖維。”杜善義回憶道，“‘十五’開(kāi)始，由于有關(guān)科學(xué)家的重視和建議，國(guó)家開(kāi)始重視碳纖維。師昌緒院士首先給中央領(lǐng)導(dǎo)寫(xiě)信，建議對(duì)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的支持要提升到國(guó)家層面。之后，我和黃瑞松院士也給中央有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)寫(xiě)信，反映了我國(guó)碳纖維的現(xiàn)狀，并建議加快發(fā)展，盡快滿(mǎn)足急需。在此情況下，科技部設(shè)立了碳纖維的專(zhuān)項(xiàng)。”盡管當(dāng)時(shí)的專(zhuān)項(xiàng)基金很有限，但卻充分調(diào)動(dòng)起了碳纖維研發(fā)單位特別是民營(yíng)企業(yè)的積極性，一批企業(yè)開(kāi)始從事碳纖維的研發(fā)。
“‘十五’至今的17年時(shí)間，碳纖維的發(fā)展可謂突飛猛進(jìn)。”杜善義對(duì)近幾年的行業(yè)發(fā)展情況這樣評(píng)價(jià)：我國(guó)建立起了一批以威海拓展、常州中簡(jiǎn)、連云港神鷹、鎮(zhèn)江恒神等民營(yíng)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(guó)產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料已在航空航天及其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)一些有基礎(chǔ)的碳纖維企業(yè)在產(chǎn)量和質(zhì)量不斷提高的同時(shí)，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(tuán)出資建設(shè)的碳谷項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2023年建成后，具備年產(chǎn)6.6萬(wàn)噸碳纖維的能力。“所以從這些方面來(lái)看，中國(guó)碳纖維正處于一個(gè)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(chǔ)、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(jìn)入新世紀(jì)，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)面貌日新月異，但若想打破日美壟斷，推動(dòng)碳纖維及復(fù)合材料產(chǎn)品和應(yīng)用創(chuàng)新從跟隨走向引領(lǐng)，需要跨越以下幾道門(mén)檻：
一是產(chǎn)不足需，規(guī)模化水平有限。碳纖維雖然國(guó)內(nèi)產(chǎn)能超過(guò)萬(wàn)噸，但產(chǎn)量不足，初步看僅有兩三千噸。以2016年為例，國(guó)內(nèi)需求在兩萬(wàn)噸左右，占世界的1/4左右。供應(yīng)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(yùn)作要考慮資本的問(wèn)題，也比較擔(dān)心產(chǎn)出后在國(guó)內(nèi)賣(mài)不出去，國(guó)外市場(chǎng)又難以打開(kāi)。”杜善義分析道。
二是成本高。為什么成本高？杜善義認(rèn)為，主要是許多碳纖維企業(yè)的設(shè)備，例如聚合爐、氧化爐、低溫碳化、高溫碳化或者石墨化設(shè)備等，目前仍然依賴(lài)進(jìn)口；用量較少，開(kāi)工率低，必然促使成本高。
三是下游局面未打開(kāi)。要打破此種局面，關(guān)鍵是要解決碳纖維及其復(fù)合材料如何應(yīng)用的問(wèn)題。要會(huì)用、敢用、好用、多用。
“目前來(lái)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(lái)看，差別并不大。”杜善義表示。為促進(jìn)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(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》將碳纖維及其復(fù)合材料列為重點(diǎn)方向之一。
從“貴族材料”向“平民材料” 恰逢其時(shí)
杜善義認(rèn)為，航空航天、汽車(chē)、能源、海洋工程、軌道交通等將成為拉動(dòng)碳纖維及其復(fù)合材料應(yīng)用增長(zhǎng)的重點(diǎn)領(lǐng)域。從全球來(lái)看，整個(gè)碳纖維和復(fù)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(guò)去我們主要在國(guó)防與航空航天應(yīng)用，先進(jìn)復(fù)合材料被認(rèn)為是‘貴族材料’，現(xiàn)在來(lái)看，能源、交通、海洋工程的應(yīng)用不斷增長(zhǎng)。從‘貴族材料’逐漸向‘平民材料’發(fā)展，恰逢其時(shí)。隨著碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的成熟壯大以及下游產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，平民化的需求將越來(lái)越迫切，用量也將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。”
我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用占比與全球20%的平均水平相比偏低。“從國(guó)內(nèi)來(lái)看，在航天領(lǐng)域應(yīng)用比較多。航天固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料化，衛(wèi)星85%以上是用復(fù)合材料，飛船、導(dǎo)彈彈體基本都是復(fù)合材料，但由于行業(yè)特點(diǎn)，總量并不大，增量有限。”國(guó)內(nèi)航空領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)、直升機(jī)、商用飛機(jī)、公務(wù)機(jī)的數(shù)量不斷增加，碳纖維復(fù)合材料在這些領(lǐng)域的用量會(huì)逐漸上升。在C919上，復(fù)合材料用量已實(shí)現(xiàn)了一定的突破，達(dá)到12%左右，應(yīng)用于平尾、垂尾、后機(jī)身等重要部位。殲擊機(jī)與直升機(jī)等的復(fù)合材料用量也在不斷增加，但仍有較大提升空間。飛機(jī)上復(fù)合材料的用量代表了技術(shù)的先進(jìn)程度和競(jìng)爭(zhēng)力。因此，未來(lái)的C929飛機(jī)，對(duì)復(fù)合材料的應(yīng)用要提升至50%以上，飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化是未來(lái)的大勢(shì)所趨。“為追求裝備本身的先進(jìn)性和國(guó)際化的競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)在航空航天都在重視這件事，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例會(huì)隨之迅速攀升。”杜善義認(rèn)為。
在汽車(chē)領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用潛力更大。2016年中國(guó)汽車(chē)銷(xiāo)量為2803萬(wàn)輛，比上年增長(zhǎng)14.1%，2025年預(yù)計(jì)達(dá)到3500萬(wàn)輛。如果每輛汽車(chē)使用1千克碳纖維，每年僅汽車(chē)行業(yè)就需要3萬(wàn)多噸碳纖維。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)整車(chē)廠(chǎng)和碳纖維生產(chǎn)企業(yè)，都十分注重汽車(chē)零部件用碳纖維復(fù)合材料的研究。杜善義認(rèn)為，未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)的全面推廣對(duì)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用將有更大促進(jìn)作用：“電動(dòng)汽車(chē)更要輕量化，因?yàn)殡姵乇旧砭秃苤兀渌悴考蛙?chē)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(chē)行業(yè)對(duì)碳纖維的應(yīng)用需要一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。整車(chē)廠(chǎng)關(guān)心成本和回收的問(wèn)題，并且原有生產(chǎn)線(xiàn)都是按照鋁合金等材料部件來(lái)設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在改成復(fù)合材料后，生產(chǎn)線(xiàn)的變化也需要經(jīng)歷一段時(shí)期，但汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)將其提上日程。
與此同時(shí)，我國(guó)還開(kāi)發(fā)了軌道交通材料內(nèi)飾、司機(jī)室?jiàn)A層結(jié)構(gòu)和大型承力轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)技術(shù)；我國(guó)復(fù)合材料風(fēng)電葉片年均需求量將超過(guò)1.4萬(wàn)套，目前已完成7MW級(jí)風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。這些都為碳纖維復(fù)合材料的大面積推廣奠定了基礎(chǔ)。
讓貴族材料平民化，要追求的不僅僅是低成本。促進(jìn)我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的提升，低水平重復(fù)建設(shè)并不是解決之道，擴(kuò)大平民化的用量才是碳纖維行業(yè)中的有志之士應(yīng)該思索的。
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
