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徐樑華:堅守碳纖維基礎研究崗位 打破國產高性能碳纖維對標困境
時間:2019年07月12日 來源:不詳  作者:未知 瀏覽次數:

在北京化工大學碳纖維樓的二樓,一個長形的房間內機器轟鳴,一卷米白色的原絲緩緩地被抽入設備內,這是對PAN原絲進行碳化前的預氧化處理。


《大國之材》第三集《碳纖維》攝制組前往拜訪時,滿頭銀發的徐樑華正穿著白大褂,在這條原絲碳化中試線上認真指導學生作業。


身兼國家碳纖維工程技術研究中心主任、北化碳纖維及功能高分子教育部重點實驗室副主任、碳纖維及復合材料研究所所長等職,徐樑華扎根碳纖維研究領域已30多年,經歷了國產碳纖維發展的一半歷程。

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徐樑華


在他看來,高校應該堅守基礎研究、應用基礎及前瞻性工作的定位。“一個人的精力是有限的,我們應堅守本分,把碳纖維產業的基礎做好。”


打破固有思維
重樹碳纖維國產化主流工藝


從20世紀60年代末到80年代,國產碳纖維經歷了艱難的階段,材料界從對其認知到科研力量皆為欠缺。


當時的碳纖維研發并未作為大協同的技術體系展開研究,從聚合、紡絲到氧化、碳化再到應用在當時條塊分割的框架之下無法形成協調。


國民經濟水平亦相對較低,與碳纖維的研發投入需求并不匹配。科研實力弱,缺乏先進技術的參考、借鑒,國內對碳纖維的認知水平并不高。


最關鍵的原因是,國產化主流技術未能找到。


因此,2000年以前,中國的碳纖維探索一直處于徘徊階段。


隨著市場對碳纖維需求的推動,國家和政府加大了對碳纖維研發的支持力度。“十五”期間在國家“863”項目推動下,形成了北京化工大學、中科院山西煤化所、山東大學為主要力量的三個相對集中的研發基地。


從事高性能聚丙烯腈(PAN)碳纖維科學技術研究,徐樑華深感使命重大,感嘆不容易,“它需要有很淡定的心態才能做得出來” 。


上個世紀代表中國碳纖維水平的是硝酸法技術,然而硝酸法在國際上已經被淘汰,現在代表中國碳纖維水平的是二甲基亞砜法。當時國內已擁有二甲基亞砜技術,但是由于固有思維未突破被擱置。

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徐樑華團隊


徐樑華率領團隊,基于PAN/DMSO間歇溶液聚合、一步法濕法紡絲工藝,在國內率先研發出二甲基亞砜溶液體系制備具有規整表截面結構碳纖維原絲的國產化技術,重新確立了二甲基亞砜原絲工藝路線在碳纖維國產化發展中的主體地位。


按此工藝生產的聚丙烯腈原絲的質量完全符合高強碳纖維生產的需要,國產碳纖維從此走上了從高強、高強中模、高模、高模高強有序發展的快速軌道。


徐樑華認為,重新使用二甲基亞砜法路線不僅僅是技術的轉型,更是理念的轉型。


沖出對標困局
實現國產技術自主創新


如果說本世紀初的碳纖維技術處于轉型階段,那么現在的碳纖維產業可謂處于升級階段。“接下來進入碳纖維的產業化建設。”徐樑華說。


國產碳纖維近20年的發展速度遠超前30年的發展速度,產業化成果累累。技術方面,從當時的T300到現在高強高模全覆蓋。


雖堅守碳纖維產業的基礎研究本分工作,徐樑華團隊卻不忘創新。徐樑華認為,國產碳纖維材料應實現自主創新,避免跟著國外的發展步伐走對標式的路


“十五”期間,北京化工大學和山西煤化所分別展開了T700級碳纖維的研發。兩者走的研究路線不一,山西煤化所走的是干噴濕紡路線,徐樑華團隊提出了濕紡工藝制備國產T700級高強碳纖維的技術方向并得到了科技部的支持。


經過4年的努力,濕紡T700級碳纖維實現了關鍵技術突破,并應用到以光威為代表的碳纖維企業中,這意味著國產高強碳纖維產業化技術空白被填補上了。“這個原始創新是我們獨有的,連日本都沒有”。


實現國產碳纖維技術自主創新,無疑讓徐樑華團隊推動碳纖維國產化的信念更加堅定,“國產碳纖維發展到現在,我們可以不對標國外,做自己的技術”


發揮碳纖維優勢
實現價值最大化


中國碳纖維產業邁入了快速發展的第二個階段。隨著新能源汽車及其他現代工業的發展,“黑色黃金”迎來發展風口


在此過程中,原絲生產技術、碳化生產技術及對應生產設備均不斷發展完善,而下游的碳纖維終端應用則高端應用與低端應用并存。對于目前國產碳纖維發展現狀有什么樣的看法?徐樑華從企業定位和應用角度給出了答案。



以下是新材料在線®整理的對話內容(Q為新材料在線®,A為徐樑華):


Q:國產碳纖維市場價格如何?


A:第一,碳纖維具有特殊的優異性能,一定要將其性能用出來,它的價值才會體現出來。第二,現在碳纖維的產業發展有一個現象,盲目地擴大產能,大家覺得把它賣出去就行了。所以國內碳纖維的銷售價一直較低,大家一直沒有考慮到它的價值。


體現碳纖維價值化的應用需要把應用設計和應用服務這兩個方面做好,其高價值化應用就體現出來了。


碳纖維不能跟玻璃纖維等去競爭市場,否則價值無法體現。碳纖維屬于“貴族”材料,是高價值的材料,一定要用在該用的地方。如航天航空及國民經濟領域中工業領域的一些高端裝備。

但凡嫌碳纖維貴的應用領域,就不該去考慮,如此體現不出其價值。


Q:您如何看待碳纖維在風電、汽車、軌道交通上的應用?


A:碳纖維不能去競爭低容量的風電葉片市場。


假如風電葉片容量要求變大了,就是碳纖維的天下了。比方5兆、7兆、10兆等大容量的風電葉片,需要將葉片做大,或者葉片的單位兜風面積要求增加。此時玻璃纖維因比重較大、剛度不夠的限制,就無法滿足了,而碳纖維在這兩方面是強項。

所以海洋風電,或者大瓦數大功率風電葉片,一定要用碳纖維,其價值就能體現出來


汽車是碳纖維的潛在市場。目前,碳纖維在汽車上的應用處于驗證階段,并不十分成熟。從全復合材料汽車到碳纖維加強車身,目前為止,我還是認為它是一種技術驗證


碳纖維在汽車領域的應用范圍和方法,到現在為止未出現特別成熟的結論。此外中國沒有特別高端的乘用車,汽車廠家利潤水平本來不高,所以碳纖維復合材料在中國市場上的應用難度可能會更大一些。我認為碳纖維在汽車方面的應用是一種儲備技術,或者說是驗證性的應用。


不過,隨著國家新能源汽車政策的推動,可能慢慢地會推進這方面的應用。但是絕對不能把應用壓力都轉移到碳纖維的低成本化方面,碳纖維的成本有一個理論目標,如果碳纖維企業無法盈利,整個行業就將不可持續發展


碳纖維在汽車上的應用應把準碳纖維的綜合優勢,把應用技術發展起來。像現在碳纖維復合材料替代金屬件這種模式,不是發展碳纖維復合材料在汽車上應用技術的正確的方向


碳纖維在汽車上的應用最能發揮其價值的地方是加固、局部加強、和輕量化,但是其軟肋是怕沖擊。我認為抗沖擊的任務,應由金屬承擔,如鋁合金等輕質金屬;加固方面則由碳纖維承擔,兩者結合起來,現在像寶馬,也是走的這條路。


軌道交通方面,輕量化,從技術層面上來講,是碳纖維非常好的應用點。比如高鐵,需要用電驅動;而現在電網建設跟不上高鐵的發展需要,特別是有些地方,因為電網不完善,高鐵沒法通過去。高鐵的輕量化,是解決高鐵耗電非常理想的途徑之一。此外,隨著耗電需求下降,電網的壓力隨之下降,從長遠來講,它效益也是可以體現的。

總之,碳纖維因其特性,在裝備存在交互碰撞的領域使用并不很成功,而在不交互碰撞領域的使用很成功。


Q:在您看來,國內碳纖維應用的出路在哪里?


A:據我總結,中國碳纖維應用市場,其實都是模仿西方國家。如此產生一個弊端,別人的市場開拓出來以后,蛋糕已經畫好了,我們僅僅是從人家蛋糕里分一小塊蛋糕。


西方發達國家隔幾年就有新領域的應用發現,我們卻沒有。我們缺兩個條件,一是材料的應用服務跟不上,做材料的不思考怎么把它用出去,只想著賣出去,市場地位不高;二是應用設計能力很差,未形成材料合理應用的主觀思維,跟隨西方國家的腳步。中國需要有正向設計能力,中國的復合材料真正要做強,一定要會自己開拓市場。


Q:針對目前的碳纖維濕紡和干噴濕紡兩大產業化技術路線,您認為國內碳纖維要實現低成本化應如何推進?


A:提速提束。一個是把速度提上來,一個把絲束提上去。


干噴濕紡優點是走速度,但它的絲束不容易提上去。濕紡紡絲的缺點是速度慢,但它的優點是可以把絲束提上去。這兩個回歸到一個共性問題,就是生產效率的提高,這都是低成本化的途徑。


工業用碳纖維技術的發展,干濕紡是途徑之一,但不是全部,大絲束也是個途徑。現在從技術推進的話,兩條腿都得走,一個是大絲束,一個是干濕紡。


目前國內大絲束技術只到48K,這方面下一步可能有兩個任務要進行:一個是大絲束的紡絲和碳化技術,從碳纖維制備和工藝角度來講,大絲束比小絲束難,技術問題也需要慢慢的去突破;二是大絲束做復合材料,效率高,但是成型過程中間也有些技術要突破。


 

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