氫能（néng）技（jì）術：又一項關鍵（jiàn）技（jì）術（shù）填補碳纖維（wéi）國內空白！

碳纖維的國產化之路

——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（chéng）技術研究中心主任，碳纖維及（jí）功（gōng）能高分子教育部重點實驗室副主任，碳纖維及複合（hé）材料研究所所長。發明出特殊（shū）工藝的T700級碳纖維製備技術及產品（pǐn），支撐了我國重大型號的研製；率先實現T800級高強中模碳纖維的技術突破，填補了國內空白；研發成功M40J、M55J等高性能碳纖維國產化技術，2014年（nián）獲國家科技進步二等獎。

Q：5月8日，科技部高技術中心組織專（zhuān）家組在北化對科技部863課題“聚丙烯腈（jīng）碳纖維石墨化關鍵技術（shù）研究”課題進行技（jì）術驗收，請簡單為我們介紹一下該課題的重要意義（yì）。

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（hé）裝備來展開的。M55J是衛星的主材料，一（yī）直以來都依賴國外進（jìn）口，這個項目的驗收具有兩方麵的重要意義：一（yī）是工藝技（jì）術的國產化，從以往（wǎng）的經驗來看（kàn），碳纖維的（de）製備遵（zūn）循強度和模量相互製約的規律，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（luàn）層石墨到類（lèi）石墨，主要是石墨結（jié）構，模量高、強度（dù）差，怎麽能將兩種結構特征結合起來，是我們麵（miàn）臨（lín）的（de）挑戰。從2010年在科技部973計劃支持（chí）下，開始圍繞這個（gè）問題開展基礎科學，提出了高強高（gāo）模碳纖（xiān）維的結構模型（xíng），通過（guò）M40J的技術研發，驗證了這個（gè）模型的合理性後，我們一（yī）直以這個模型來指導我們的關鍵技術（shù）研究。二是裝備國（guó）產化，高模量纖（xiān）維的關鍵工藝就是高溫石（shí）墨（mò）化，溫度高達2500℃以（yǐ）上（shàng），爐子一直是（shì）我（wǒ）們的軟肋。這個項目中，合作企業也是非（fēi）常有經驗（yàn），爐子仍是反複討論、設計、修改，最終通過驗證。工藝（yì）和裝備都實現了國產化，對國外的依賴性降低，麵對（duì）封鎖控製才不（bú）會（huì）受製於人。

這個項目的亮點是將用戶（北京衛星製造廠）結合在一起，將成品及時供給應用（yòng）部（bù）門進行驗（yàn）證。國產碳纖維就麵臨過這樣的問題，碳纖維（wéi）性（xìng）能優良，但是製備成複合材料後差距（jù）拉大，這就需要非常長的（de）磨合期（qī）。T300、T700、T800與M55J相比，成本上還低（dī）一些，驗證3~5年還在可承受範圍之內，但是M55J成本較高（gāo），對於長時間的考核、驗證，經費消耗會非常龐大。我們項目一開（kāi）始就將（jiāng）用戶結合到課題中，經過3年，我們將關鍵工藝、裝（zhuāng）備、工程化應用的（de）問題並案研究，做出的纖（xiān）維滿足應用需求，複合材料結構件性能也達到設計要求，節（jiē）省了（le）時間（jiān）、降低了成本、提高了效率，這種產、學、研、用合作模式是非常（cháng）值得借鑒的。

Q：目前占市場主導地位的是PAN基碳纖維，請簡單（dān）為我們介紹一下（xià）該碳纖維的基礎研究和產業化情況？

A：PAN基碳纖維叫聚丙烯腈碳纖維，碳纖維總共有4類（lèi），這是其中一類，也是主要的一類，約占碳纖維產品的90%。國外的（de）研究從20世（shì）紀60年代開始，我們是20世紀70年代開始，這個起步（bù）的差距不大，但是前麵的35年一直在徘徊，隻有近15年（nián）在高速發展。為什麽在徘徊（huái）？就是缺少基礎研究。從事纖維研究的企業或企業性質的研究所，大部分精力花（huā）在解決工程問題上，核心的基（jī）礎研究（jiū）沒有關注。

日（rì）本東麗將長期向美國（guó）SpaceX飛（fēi）船供（gòng）應碳纖維

現在國內主流技術（shù）二甲基亞碸法就是我們在2000年突破的，在這之前我們做了2~3年的基礎研究，把碳纖維看作高分子材料，回（huí）歸到基礎的科學問題，遵循高分子材料的客觀規律，將複雜的問題簡單化。從那以後，我們（men）就找（zhǎo）對了方向，快速地發展起來。前麵的35年總是在探索，這個方法（fǎ）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年國內建成了第一（yī）條產（chǎn）業化線，到現在18年了，與（yǔ）國外在關鍵技術上的（de）差距在縮小。

產業上還有代差，5個部分組（zǔ）成的產業體係還不是很（hěn）完善。截至（zhì）2017年底理論產能是26000噸，千噸（dūn）線有11條、100~400噸線有（yǒu）17條、500噸（dūn）線有9條，但是我們的產能釋放率才29%，國際上平均達到65%，東（dōng）麗有時能達（dá）到70%。產（chǎn）能釋（shì）放率低反映了我們產業技術（shù）成熟度比較低，根本原因就是體係建設不完（wán）善，其中涉及到的核心問題之一就是裝備。我國的（de）碳（tàn）纖維產業化裝備是從引進起步的，國（guó）內的（de）消化（huà）、吸收、再創新做得（dé）不好，導致生產中往往是工（gōng）藝去迎合裝（zhuāng）備，這樣就（jiù）會出現（xiàn）問題，引進的時候不是按照生產線引進，而是按照（zhào）裝置引進，自己去組裝建設，供應商（shāng）保證（zhèng）單個（gè）設備滿足技（jì）術要（yào）求（qiú），是（shì）否能建成產（chǎn）業線是不會管的，我們沒有更多的產業化經驗，不能提出圍繞工藝的產業化裝備需求，導致很多裝備生產能力（lì）達（dá）不到設計目（mù）標。 

像幾十噸到百噸級（jí）這樣的裝備國內還是可（kě）以做的，但是千噸級的還存在很多問題。碳纖維產業化裝備的國產化製造與其他（tā）行業（yè）的（de）裝備（bèi）類似，主要還是靠經驗，對仿真、模擬技術的使用還有所欠缺，這就導致碳纖維生產（chǎn）設備特有的溫度場和（hé）氣流（liú）場在靜態情（qíng）況（kuàng）下滿足要求，但到了生產時的動態環境，“兩場”波（bō）動就比較大（dà），這就導（dǎo）致（zhì）生產出來的碳纖維質量波動比較大。國外（wài）對設備也有一定的限製，尤（yóu）其是美國，還會（huì）限定設備的溫度。德國就稍微好一些，與中國的企業合作，在中國生產，隻（zhī）要不是用於（yú）高（gāo）端碳纖維的製備，條件還是比較寬鬆的（de）。美國（guó）限（xiàn）定1800℃以上是需要許可證書的（de）。

國產設備我認（rèn）為主要問（wèn）題（tí）還是缺少設計模擬，引進、消化、仿製這樣的逆向（xiàng）思維可能實施起來難度還是比較大的，因為國外（wài）的產品更新換代比較快，水平（píng）也（yě）在提高。例如預（yù）氧（yǎng）化設備，它需要氣循環（huán），不（bú）同的纖（xiān）維品種（zhǒng）、不同的規格，采用的循環方式是不（bú）一樣的。因（yīn）為我們不會設計，隻能依靠引進設備的循環方式，這就比較被動。碳纖維的發展需要重視裝（zhuāng）備，不是大家認為的我有錢就能買的事情。東麗裝備的雛形也是外（wài）加工，但是（shì）它會根據自己的工藝進（jìn）行二次改（gǎi）造，裝備製（zhì）造商是不讓參與的，而國內幾乎沒有二次改造，進口（kǒu）裝備都不敢動，有的企業會有一點小的改造。

觀察國內的碳纖維企業，凡是自己裝備能力比較強的產業化都做得比較好，反之則反。這個現象是很明顯的，所以我們提倡碳纖維企業（yè）一定（dìng）要有自己（jǐ）的裝備能力，這可能需要很長的時間。中國培育（yù）出自己的裝備製造商比較難，美國、德（dé）國的裝備是麵（miàn）向全世界（jiè），市場（chǎng）比較大，而中國的裝備製造商（shāng）市場可能隻有中國，我（wǒ）們的裝備很難走出去，市場（chǎng）畢竟有限。專門做裝備的（de）企業對碳纖維領域不感興趣；有興趣介入的，前期投入會比較高，現在一條產業化（huà）線成本就在1.5億左右，研製的投入至少需要2個億，並且短期內很難看到效益（yì），可能需要建設幾十條（tiáo）線才能產生回報，國內還沒有（yǒu）那麽大的（de）市場，所以境（jìng）遇就比較尷尬。這種關鍵戰（zhàn）略材料（liào）的技術研發、儲備和條件支撐單（dān）靠市場行為是行不通的。

Q：國產碳（tàn）纖維在高端領域廣泛應用還有哪些挑戰？高質量和低成本應該怎樣（yàng）去實現？

A：目前國內碳纖維企業大馬拉小車（chē），可以（yǐ）保證在（zài）高端領域（yù）質量的穩定性。我們現（xiàn）在所（suǒ）說的質量不穩定，深層次是使用過程中的（de）波動，即使用工藝性。一是纖（xiān）維製成複合材料後，應用部（bù）門會對標國外產品，先（xiān）入為主再加上對國外纖（xiān）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（wèn）題有待挖掘。二是強度轉移力低，纖維性能對標國外產品是差不多的，但複合（hé）材料的性能差（chà）距（jù）就比較明顯。基本上每款碳纖維都會遇到這2個問（wèn）題，在平時研討時也在（zài）探索這些問（wèn）題，究其（qí）根本（běn）原（yuán）因（yīn）是纖維製（zhì）備過程中的精細化操作不夠。一束纖維理論上每根（gēn）纖維是很規整的，但是我們的纖維會有（yǒu）交叉，有交叉的（de）纖維（wéi）製備成（chéng）複合材料不是完全的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）化製備的（de）要求，從應用端來考慮纖維的製備，慢慢把握住（zhù）問題的脈搏，解決（jué）起來應該就（jiù）會比較快了。

2002年，國（guó）內從事碳纖維（wéi）的研發單（dān）位僅（jǐn）有3家，山大（dà）、北化、山（shān）西煤化所，東華大學（xué）也有一（yī）部分，但主要是做凝膠碳纖維。2008年（nián），我協助建設（shè）中（zhōng）科院寧波材料所碳（tàn）纖維實驗室，研究單位變成4家。到現（xiàn）在為止，真正做完整的關鍵技術研究的不到4家了，從中不難發現，研發力（lì）量在萎縮。我經常也在思考這（zhè）個問題，也提出過書麵建議（yì），我們的基礎研（yán）究還需要加強，研發隊伍要擴大，有3~5個研發單位，適度的競爭與合作互動是好事，如果獨家發展，方向（xiàng）有（yǒu）可能會走歪。我們的研發成果都在實施產業化（huà），但（dàn）是我自（zì）己不做產業化，和企業分工協作，我就集中做技（jì）術研發，畢竟（jìng）精力是有限的。碳纖維這個材料非常複雜，實驗室（shì）同樣具（jù）備（bèi）產業化（huà）的特征，是產業線（xiàn）的縮小版，沒有（yǒu）3~5年的深入研究，入門都（dōu）很難。

國產碳纖維相對來講成本偏高一（yī）些，成本高，我們認（rèn）為它（tā）不單純是經濟問題，而是深層次的技術問（wèn）題。能源費貴、設備貴這都隻是（shì）其中一個因素，更多（duō）的是技術因素。產能沒（méi）有釋放、裝備技術不過關、上漿劑占比高、纖維合格（gé）率低、質量不（bú）能滿足應（yīng）用要求（qiú）等都是（shì）技（jì）術問題。高質量、低成本通過合理的技術手段（duàn）是可以實現的。對碳（tàn）纖維我們提（tí）出到2030年，價格爭取做到10美元/kg；前段時（shí）間波音公司的華人專家來訪，他們（men）提出5美元/磅的目標，這個目標是差不多的，基本已經達到極（jí）限。對複合材料企業（yè），降低成本應該在複材的成型工藝上和工裝上下功夫。

Q：碳（tàn）纖維生產技術的產業化是產學研合作的典範，您在合作過程中是（shì）否遇到一些問題製約著項目的推進（jìn）？同質（zhì）化發展的碳纖維（wéi）企業較多，給（gěi）市場帶（dài）來哪些問題？想要實現產業的良（liáng）好發展，您有（yǒu）哪些建（jiàn）議？

A：以前大家認為校企合作，各取所需，研（yán）究人員關注名、企業關（guān）注利，但是現在科研人員也關注利了，企業也關注（zhù）名了，重（chóng）疊以後就容易出現矛盾。與（yǔ）企業的合作過程中責任和利（lì）益是其間遇（yù）到的第一個大問題。另外，由於企業間（jiān）的競爭壓力比較大，因此合（hé）作（zuò）雙方的相互信（xìn）任度也會製約著合作的深入。科研人（rén）員和企業肯定不是一（yī）對（duì）一合作，有時候與企（qǐ）業合作到一定程度後，他們會豎起壁壘，對研究人員進（jìn）行封鎖，往往就會導致最後一步走不好。

從去年開始，我覺得碳纖維行業（yè）在逐漸變（biàn）好，已經裝備運行的（de）企業有26家（jiā），其中1家隻做原絲、10家隻做碳纖維不做原絲、15家既做碳纖維也做原絲，而16家做（zuò）原絲的企業中，13家采用二甲基亞（yà）碸技術、2家是硫氰酸鈉（nà）技術、1家是二甲基乙酰胺技（jì）術，這就（jiù）是國內的整體格局。為什麽說去年情況變（biàn）好了呢？因為去年有七八家企業（yè）停產了，停產以後對產能的影響是2000噸（dūn），產能小、水平不（bú）高在競爭中就（jiù）會被淘汰。如果再調（diào）整七八（bā）家，國內碳纖維行業的集成度進一步提高，行業的競爭優勢（shì）會更好。競爭與整合對企業來說比較殘忍，因為碳纖（xiān）維企業投入比較大，但（dàn）是（shì）從產業的發展來看，這是必須經曆的陣痛。我們希望企業發展好、行業發展好，企業好了我們日子也好（hǎo），研究人員和行業是相輔相成的。現在的碳纖維企業多是同質化發展，做的東西也一樣（yàng），想（xiǎng）要整合也比較困難。

碳纖維行業有個非常大的瓶頸和軟肋就是缺乏纖維應用設（shè）計能力。簡單來說，所有的碳纖維都是國外先用，我（wǒ）們學的，國內沒有開發出新的應用領（lǐng）域。因為我們不會設計，通過各種渠道了解國外用的（de）哪個型號的纖維，我們也隻敢用同一型（xíng）號的纖維。航空航天領（lǐng）域還是有一些設計（jì）能力的，畢竟發展的時間比較長，其（qí）他工業領域幾乎（hū）沒有創新設計能力，所以中國一定要（yào）培育自己的纖維應用設計人才。如果這個問題不解決，這個（gè）行業會一直（zhí）被憋住。我（wǒ）認為可以把高校裏麵力學設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（jué）這個問題。

還有一個空（kōng）白就是我們沒有碳（tàn）纖維（wéi）材料（liào）及（jí）應用的數據庫，航空航天（tiān）有一些，但（dàn）是這個（gè）數據是保密的。碳纖維複合材料更大的市場在工業領域，缺少應用設（shè）計人才和基礎數據的支撐，相對金屬材料比較完善的人才和設計手冊來講，難度較大。10年前我就在呼籲建立數據庫，但是這是（shì）一個很龐大的工程，也想（xiǎng）通過與國（guó）外專家的交流，了解大體框架，少走彎路，不然全靠我（wǒ）們自己去摸索，十幾年都是不夠的，況且現在還沒有得到重視，還（hái）沒有起步。

直10、直19機身都大量使用了碳纖維

總體來說，碳纖維行業堅定地走國產化這條道路是非常（cháng）好的，航空航（háng）天領域大家心比較齊，隻要國（guó）內有（yǒu）的我（wǒ）們不用國外的。我們也要認清現實，報道要實事求是，不能虛胖，不然容易誤導決策者，5年一次計劃，這個時間耽擱不起。我們雖（suī）然起步比較早，但是前麵35年都在（zài）徘徊，入門（mén）也就16、17年時間，發展已經比較快了，出現任（rèn）何問題都是正常的，不用回避。希望同心協力，實（shí）現碳纖維產業良好（hǎo）、健康的發（fā）展。