碳纤维的国产化之路
——访碳纤维专家，北京化工大学徐樑华教授
徐樑华，北化国家碳纤维工程技能研讨中心主任，碳纤维及功用高分子教育部要点实验室副主任，碳纤维及复合资料研讨所所长。创造出特别工艺的T700级碳纤维制备技能及产品，支撑了我国严重类型的研制；首先完成T800级高强中模碳纤维的技能打破，填补了国内空白；研制成功M40J、M55J等高功能碳纤维国产化技能，2014年获国家科技进步二等奖。
航空制作网：5月8日，科技部高技能中心安排专家组在北化对科技部863课题“聚丙烯腈碳纤维石墨化要害技能研讨”课题进行技能检验，请简略为咱们介绍一下该课题的重要意义。
徐：这个项目首要是针对东丽M55J高强高模碳纤维资料的工艺和配备来打开的。M55J是卫星的主资料，一向以来都依托国外进口，这个项目的检验具有两方面的重要意义：一是工艺技能的国产化，从以往的阅历来看，碳纤维的制备遵从强度和模量彼此约束的规则，强度高了模量就会下降，模量进步了强度就会下降。纤维是从乱层石墨到类石墨，首要是石墨结构，模量高、强度差，怎样能将两种结构特征结合起来，是咱们面对的应战。从2010年在科技部973方案支持下，开端环绕这个问题展开根底科学，提出了高强高模碳纤维的结构模型，经过M40J的技能研制，验证了这个模型的合理性后，咱们一向以这个模型来辅导咱们的要害技能研讨。二是配备国产化，高模量纤维的要害工艺就是高温石墨化，温度高达2500℃以上，炉子一向是咱们的软肋。这个项目中，协作企业也是十分有阅历，炉子仍是重复评论、规划、修正，终究经过验证。工艺和配备都完成了国产化，对国外的依托性下降，面对封闭操控才不会受制于人。
这个项目的亮点是将用户（北京卫星制作厂）结合在一起，将制品及时供给运用部分进行验证。国产碳纤维就面对过这样的问题，碳纤维功能优秀，可是制备成复合资料后距离拉大，这就需求十分长的磨合期。T300、T700、T800与M55J比较，本钱上还低一些，验证3~5年还在可接受规模之内，可是M55J本钱较高，关于长时刻的查核、验证，经费耗费会十分巨大。咱们项目一开端就将用户结合到课题中，经过3年，咱们将要害工艺、配备、工程化运用的问题并案研讨，做出的纤维满意运用需求，复合资料结构件功能也到达规划要求，节省了时刻、下降了本钱、进步了功率，这种产、学、研、用协作形式是十分值得学习的。
航空制作网：现在占商场主导地位的是PAN基碳纤维，请简略为咱们介绍一下该碳纤维的根底研讨和工业化状况？
徐：PAN基碳纤维叫聚丙烯腈碳纤维，碳纤维总共有4类，这是其间一类，也是首要的一类，约占碳纤维产品的90%。国外的研讨从20世纪60年代开端，咱们是20世纪70年代开端，这个起步的距离不大，可是前面的35年一向在徜徉，只需近15年在高速开展。为什么在徜徉？就是短少根底研讨。从事纤维研讨的企业或企业性质的研讨所，大部分精力花在处理工程问题上，中心的根底研讨没有注重。
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现在国内干流技能二甲基亚砜法就是咱们在2000年打破的，在这之前咱们做了2~3年的根底研讨，把碳纤维看作高分子资料，回归到根底的科学问题，遵从高分子资料的客观规则，将杂乱的问题简略化。从那今后，咱们就找对了方向，快速地开展起来。前面的35年总是在探究，这个办法不可，那个方向也不可，与国外的距离就越来越大。2002年咱们建成了第一条工程化线，2006年国内建成了第一条工业化线，到现在18年了，与国外在要害技能上的距离在缩小。
工业上还有代差，5个部分组成的工业系统还不是很完善。到2017年末理论产能是26000吨，千吨线有11条、100~400吨线有17条、500吨线有9条，可是咱们的产能开释率才29%，国际上均匀到达65%，东丽有时能到达70%。产能开释率低反映了咱们工业技能成熟度比较低，底子原因就是系统建造不完善，其间涉及到的中心问题之一就是配备。我国的碳纤维工业化配备是从引入起步的，国内的消化、吸收、再立异做得欠好，导致出产中往往是工艺去投合配备，这样就会呈现问题，引入的时分不是依照出产线引入，而是依照设备引入，自己去拼装建造，供给商确保单个设备满意技能要求，是否能建成工业线是不会管的，咱们没有更多的工业化阅历，不能提出环绕工艺的工业化配备需求，导致许多配备出产才干达不到规划方针。
像几十吨到百吨级这样的配备国内仍是能够做的，可是千吨级的还存在许多问题。碳纤维工业化配备的国产化制作与其他职业的配备相似，首要仍是靠阅历，对仿真、模仿技能的运用还有所短缺，这就导致碳纤维出产设备特有的温度场和气流场在静态状况下满意要求，但到了出产时的动态环境，“两场”动摇就比较大，这就导致出产出来的碳纤维质量动摇比较大。国外对设备也有必定的约束，尤其是美国，还会限制设备的温度。德国就略微好一些，与我国的企业协作，在我国出产，只需不是用于高端碳纤维的制备，条件仍是比较宽松的。美国限制1800℃以上是需求许可证书的。
国产设备我以为首要问题仍是短少规划模仿，引入、消化、拷贝这样的逆向思想可能施行起来难度仍是比较大的，由于国外的产品更新换代比较快，水平也在进步。例如预氧化设备，它需求气循环，不同的纤维种类、不同的标准，选用的循环方法是不相同的。由于咱们不会规划，只能依托引入设备的循环方法，这就比较被迫。碳纤维的开展需求注重配备，不是咱们以为的我有钱就能买的工作。东丽配备的雏形也是外加工，可是它会依据自己的工艺进行二次改造，配备制作商是不让参加的，而国内几乎没有二次改造，进口配备都不敢动，有的企业会有一点小的改造。
调查国内的碳纤维企业，但凡自己配备才干比较强的工业化都做得比较好，反之则反。这个现象是很显着的，所以咱们发起碳纤维企业必定要有自己的配备才干，这可能需求很长的时刻。我国培养出自己的配备制作商比较难，美国、德国的配备是面向全世界，商场比较大，而我国的配备制作商商场可能只需我国，咱们的配备很难走出去，商场究竟有限。专门做配备的企业对碳纤维范畴不感爱好；有爱好介入的，前期投入会比较高，现在一条工业化线本钱就在1.5亿左右，研制的投入至少需求2个亿，而且短期内很难看到效益，可能需求建造几十条线才干发生报答，国内还没有那么大的商场，所以境遇就比较为难。这种要害战略资料的技能研制、储藏和条件支撑单靠商场行为是行不通的。
航空制作网：国产碳纤维在高端范畴广泛运用还有哪些应战？高质量和低本钱应该怎样去完成？
徐：现在国内碳纤维企业大马拉小车，能够确保在高端范畴质量的稳定性。咱们现在所说的质量不稳定，深层次是运用过程中的动摇，即运用工艺性。一是纤维制成复合资料后，运用部分会对标国外产品，先入为主再加上对国外纤维的娴熟随手，定性的归纳为欠好用，其实还有许多深层次的问题有待发掘。二是强度搬运力低，纤维功能对标国外产品是差不多的，但复合资料的功能距离就比较显着。根本上每款碳纤维都会遇到这2个问题，在平常研讨时也在探究这些问题，究其底子原因是纤维制备过程中的精细化操作不行。一束纤维理论上每根纤维是很规整的，可是咱们的纤维会有穿插，有穿插的纤维制备成复合资料不是彻底的0°摆放，功能就会有所下降，所以现在就给咱们强化精细化制备的要求，从运用端来考虑纤维的制备，渐渐把握住问题的脉息，处理起来应该就会比较快了。
2002年，国内从事碳纤维的研制单位仅有3家，山大、北化、山西煤化所，东华大学也有一部分，但首要是做凝胶碳纤维。2008年，我帮忙建造中科院宁波资料所碳纤维实验室，研讨单位变成4家。到现在为止，真实做完好的要害技能研讨的不到4家了，从中不难发现，研制力气在萎缩。我常常也在考虑这个问题，也提出过书面主张，咱们的根底研讨还需求加强，研制部队要扩展，有3~5个研制单位，适度的竞赛与协作互动是功德，假如独家开展，方向有可能会走歪。咱们的研制效果都在施行工业化，可是我自己不做工业化，和企业分工协作，我就会集做技能研制，究竟精力是有限的。碳纤维这个资料十分杂乱，实验室相同具有工业化的特征，是工业线的缩小版，没有3~5年的深化研讨，入门都很难。
国产碳纤维相对来讲本钱偏高一些，本钱高，咱们以为它不单纯是经济问题，而是深层次的技能问题。动力费贵、设备贵这都仅仅其间一个要素，更多的是技能要素。产能没有开释、配备技能不过关、上浆剂占比高、纤维合格率低、质量不能满意运用要求等都是技能问题。高质量、低本钱经过合理的技能手段是能够完成的。对碳纤维咱们提出到2030年，价格争夺做到10美元/kg；前段时刻波音公司的华人专家来访，他们提出5美元/磅的方针，这个方针是差不多的，根本现已到达极限。对复合资料企业，下降本钱应该在复材的成型工艺上和工装上下功夫。
航空制作网：碳纤维出产技能的工业化是产学研协作的模范，您在协作过程中是否遇到一些问题约束着项目的推动？同质化开展的碳纤维企业较多，给商场带来哪些问题？想要完成工业的杰出开展，您有哪些主张？
徐：曾经咱们以为校企协作，各取所需，研讨人员注重名、企业注重利，可是现在科研人员也注重利了，企业也注重名了，堆叠今后就简略呈现对立。与企业的协作过程中职责和利益是其间遇到的第一个大问题。别的，由于企业间的竞赛压力比较大，因而协作两边的彼此信任度也会约束着协作的深化。科研人员和企业必定不是一对一协作，有时分与企业协作到必定程度后，他们会竖起壁垒，对研讨人员进行封闭，往往就会导致最终一步走欠好。
从上一年开端，我觉得碳纤维职业在逐步变好，现已配备运转的企业有26家，其间1家只做原丝、10家只做碳纤维不做原丝、15家既做碳纤维也做原丝，而16家做原丝的企业中，13家选用二甲基亚砜技能、2家是硫氰酸钠技能、1家是二甲基乙酰胺技能，这就是国内的全体格式。为什么说上一年状况变好了呢？由于上一年有七八家企业停产了，停产今后对产能的影响是2000吨，产能小、水平不高在竞赛中就会被筛选。假如再调整七八家，国内碳纤维职业的集成度进一步进步，职业的竞赛优势会更好。竞赛与整合对企业来说比较残暴，由于碳纤维企业投入比较大，可是从工业的开展来看，这是有必要阅历的阵痛。咱们期望企业开展好、职业开展好，企业好了咱们日子也好，研讨人员和职业是相得益彰的。现在的碳纤维企业多是同质化开展，做的东西也相同，想要整合也比较困难。
碳纤维职业有个十分大的瓶颈和软肋就是短少纤维运用规划才干。简略来说，一切的碳纤维都是国外先用，咱们学的，国内没有开发出新的运用范畴。由于咱们不会规划，经过各种渠道了解国外用的哪个类型的纤维，咱们也只敢用同一类型的纤维。航空航天范畴仍是有一些规划才干的，究竟开展的时刻比较长，其他工业范畴几乎没有立异规划才干，所以我国必定要培养自己的纤维运用规划人才。假如这个问题不处理，这个职业会一向被憋住。我以为能够把高校里边力学规划和资料研讨人员组成成团队，在工作中去交融，可能会较快处理这个问题。
还有一个空白就是咱们没有碳纤维资料及运用的数据库，航空航天有一些，可是这个数据是保密的。碳纤维复合资料更大的商场在工业范畴，短少运用规划人才和根底数据的支撑，相对金属资料比较完善的人才和规划手册来讲，难度较大。10年前我就在呼吁树立数据库，可是这是一个很巨大的工程，也想经过与国外专家的沟通，了解大体结构，少走弯路，否则全赖咱们自己去探索，十几年都是不行的，何况现在还没有得到注重，还没有起步
直10、直19机身都很多运用了碳纤维
整体来说，碳纤维职业坚定地走国产化这条路途是十分好的，航空航天范畴咱们心比较齐，只需国内有的咱们不必国外的。咱们也要认清实际，报导要脚踏实地，不能虚胖，否则简略误导决策者，5年一次方案，这个时刻耽误不起。咱们尽管起步比较早，可是前面35年都在徜徉，入门也就16、17年时刻，开展现已比较快了，呈现任何问题都是正常的，不必逃避。期望同舟共济，完成碳纤维工业杰出、健康的开展。
