鐵流：國產(chǎn)T800碳纖維 不止一代人的努力

日前，媒體報道，一直被國外封鎖壟斷的T800碳纖維也在哈爾濱宣告實現(xiàn)了低成本國產(chǎn)化，其生產(chǎn)成本僅為國際價格的三分之一。在實現(xiàn)低端市場逐步替換國外產(chǎn)品的同時，在中高端市場上也打破了國外企業(yè)壟斷。更可貴的是，根據(jù)相關(guān)單位的論文和測試結(jié)果，國產(chǎn)T800型碳纖維在性能上完全不輸于日本東麗公司的同類產(chǎn)品，而在局部技術(shù)參數(shù)上更是具有一定優(yōu)勢。雖然今日中國碳纖維產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展期，但也是經(jīng)歷了風風雨雨才有今天的成績。

 

自主研發(fā)遭遇困局，技術(shù)引進折戟沉沙

 

1959年，日本發(fā)明了用聚丙烯腈為原絲加張力牽伸制造碳纖維的方法，西方于上世紀70年代開始商業(yè)化，隨后，由于碳纖維優(yōu)良的特性，被運用于民用航空和軍事用途。

 

中國碳纖維研究始于60年代初，但由于當時國際環(huán)境惡劣，且西方對于碳纖維這樣的軍民兩用技術(shù)對中國高度技術(shù)封鎖，加上國內(nèi)資源緊張，碳纖維的相關(guān)研究工作進展相對有限。

 

直到1975年，在張愛萍將軍的部署下，聯(lián)合20多家研究所和企業(yè)共同攻關(guān)，終于解決了有無的問題。不過，這批產(chǎn)品也存在一定瑕疵，比如力學性能相對國外同類產(chǎn)品較為有限，成本上相對國外同類產(chǎn)品偏高等。

 

在之后的幾年里，國家累計投入2600多萬元，用于碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)，一定程度上滿足了部分國防軍工的需求。但是也存在很大一個問題——在產(chǎn)品質(zhì)量無法于日本相比的同時，成本卻大幅高于日本產(chǎn)品，而且技術(shù)差距有越來越大的趨勢……

 

正是因為這種情況，加上那個特殊年代對洋技術(shù)的無限頂禮膜拜，很多單位把希望寄托于引進國外先進技術(shù)。某單位還承諾，對引進國外先進技術(shù)將給予資金支持。

 

然而事與愿違，由于巴統(tǒng)條約（巴黎統(tǒng)籌，是對社會主義國家實行禁運和貿(mào)易限制的國際組織——觀察者網(wǎng)注）限制，國際上在技術(shù)方面處于第一梯隊的大公司都不愿意向中國轉(zhuǎn)讓技術(shù)，而且即便是購買少量設(shè)備，也往往遭遇政治壁壘——上海碳素廠力圖從美國引進設(shè)備的舉措因美國國防部干涉無疾而終。

 

因此，技術(shù)引進的對象只能從那些技術(shù)處于中下游且不夠成熟的西方公司中選擇。最終，位于吉林和北京的兩家單位選擇了英國RK公司，然而RK公司的技術(shù)雖然略高于國內(nèi)，但在歐美日本卻算不上先進水平。而且雖然沒有明確證據(jù)表明RK公司在技術(shù)上是否有所保留，或者故意使壞，但從結(jié)果上看，很難不讓人往陰謀論方面聯(lián)想。

 

兩個項目共耗資900萬美元左右，到1990年，吉林的那家單位的炭化爐始終無法正常運轉(zhuǎn)；北京那家單位耗費了7年時間也未能成功，直到1993年“驗收”，設(shè)備依舊無法正常運行。

 

不得已，在2套引進設(shè)備均無法正常運轉(zhuǎn)的情況下，最后只能當廢鐵賣了。技術(shù)引進的失敗不僅耗費了大筆經(jīng)費，也浪費了寶貴的時間，這筆學費不可謂不高昂。而且因技術(shù)引進的失敗，導致和日本的技術(shù)差距拉得更大了。

 

總結(jié)經(jīng)驗教訓攻克難關(guān)

 

2000年，中國碳纖維研發(fā)正處于低谷，國內(nèi)只有三家單位還在勉強支撐，而且也僅僅是小批量供貨以滿足國防軍工的部分需要。

 

就在危急存亡之秋，金屬學及材料科學家?guī)煵w先生提出要發(fā)展碳纖維，師昌緒先生表示：中國的材料科技工作者解決了國防需要的成千上萬種新材料，碳纖維制備技術(shù)不能突破，是材料科技工作的重大失誤......師昌緒當時已近80歲了，80歲以后完全可以少管點事，但他想抓一抓碳纖維，他認為碳纖維上不去，國防安全無保證，將死不瞑目。

 

 

隨后，成立了以師昌緒先生為組長的課題組（日常工作由李克健教授主持），負責聚丙稀腈基碳纖維發(fā)展對策研究。之后又聯(lián)合多個部門和單位，多次召開會議，對過去的決策失誤、研發(fā)力量分散、資金使用效率等問題做了討論，并形成了四點共識：對碳纖維的重要性和技術(shù)難度缺乏正確估計；投資嚴重不足，使用嚴重不當；形不成國家攻關(guān)隊伍；缺乏創(chuàng)新意識和創(chuàng)新環(huán)境（李克健教授認為這幾點共識雖然深度不夠，但也大體反映了實際狀況，再說過多的話，可能會影響隊伍團結(jié)）。

 

正是這些努力，不僅對避免重蹈覆轍意義重大，還對爭取“十五”研究經(jīng)費起到重要作用。之后，國家自然科學基金委員會批準碳纖維2個重點項目。2005年，碳纖維項目被批準為國家重大基礎(chǔ)研究項目。

 

為了推進碳纖維的研究，師昌緒先生提出要集中優(yōu)勢力量，打破門戶之別，組織國家隊，研制單位控制在2—3家，建立競爭機制等措施，這些舉措不僅對集中力量攻堅有積極意義，也提高了經(jīng)費的使用效率，避免了“多家瓜分，各行其事”的窘境。在積極自主研發(fā)的同時，也不放棄技術(shù)引進的機會，國內(nèi)引進了相當于日本東麗碳纖維T300水平的生產(chǎn)線（畢竟T300是上世紀70年代的東西，21世紀才引進阻礙?。?，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了一定作用。

 

正是師昌緒等一批老一輩科學家的極力推動，和一大批默默無聞的年輕研究人員的無私奉獻，和國家的高度重視和大量資金投入，以及兩條腿走路的方針，使中國碳纖維產(chǎn)業(yè)度過了最艱難的時刻。

 

近年來，中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，碳纖維產(chǎn)量穩(wěn)步增長，具體情況如下圖。

 

 

但在看到進步的同時，也要看到差距。目前，國際碳纖維市場的半壁江山被日本占據(jù)，在小絲束纖維產(chǎn)能上，日本企業(yè)占全球的49％，在大絲束碳纖維產(chǎn)能上，日本企業(yè)占全球產(chǎn)能的52％。

 

不僅產(chǎn)能上有差距，在產(chǎn)品質(zhì)量和使用用途上也有差距，目前國內(nèi)還無法商業(yè)化量產(chǎn)可以匹敵東麗T1000的產(chǎn)品，在用途方面，國產(chǎn)碳纖維主要用于自行車、高爾夫球棒和釣魚竿等體育休閑用品，而能夠用于航天航空的碳纖維產(chǎn)品相對較少。

 

國產(chǎn)T800可以替換東麗同類產(chǎn)品

 

所謂T300、T800、T1000等稱謂，其實是日本東麗公司的碳纖維型號，只是由于東麗公司在行業(yè)內(nèi)的地位，所以導致其型號在媒體的報道中，無形中演化成類似于某種強度的碳纖維標桿。從中其實也能看出日本企業(yè)在碳纖維領(lǐng)域的行業(yè)地位。

 

在集成電路領(lǐng)域中，三星的14nm制造工藝雖然和Intel的14nm制造工藝同屬于14nm，但采用三星工藝加工出來的芯片在性能、功耗等方面與Intel的相比卻存在一定差距。那么，國產(chǎn)的T800和日本東麗的T800也存在類似同屬T800，但產(chǎn)品性能卻遜色不少的情況么？

 

一篇由中航復合材料有限責任公司、北京航空材料研究院、先進復合材料重點實驗室、核工業(yè)理化工程研究院、北京航空航天大學材料科學與工程學院技術(shù)人員共同署名發(fā)表的論文對國產(chǎn)T800碳纖維和日本東麗T800碳纖維做了非常詳細的測試。

 

在測試中，研究人員采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的S4800N型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察碳纖維的表面形貌，并計算纖維直徑。采用美國Veeco公司生產(chǎn)的D3000型原子力顯微鏡，觀察碳纖維表面形貌，分析表面粗糙度。采用英國Kratos公司生產(chǎn)的X射線光電子能譜儀，分析碳纖維的表面成分。采用北京航空航天大學研制的微脫黏試驗機，測試纖維與基體樹脂的界面剪切強度。采用美國Instron公司生產(chǎn)的5982型材料電子萬能試驗機測試復合材料室溫干態(tài)力學性能。測試表明：

 

在表面物理態(tài)上，相對于東麗T800H碳纖維，國產(chǎn)T800碳纖維的表面較為粗糙，沿纖維軸向分布著更密集的溝槽，且溝槽的深度也較深，這種形貌特征有利于提高國產(chǎn)T800碳纖維與基體樹脂的機械嚙合作用，從而提高復合材料的界面性能。

 

 

 

（T800H碳纖維和國產(chǎn)T800碳纖維的AFM照片）

 

由于國產(chǎn)T800碳纖維的氧碳原子比約為T800碳纖維約為31.2％，約為東麗T800H碳纖維的2倍，因此，國產(chǎn)T800碳纖維能夠通過化學鍵合或分子間作用力與基體樹脂形成相互作用，從而提高復合材料的界面性能。加上之前提到的在表面物理態(tài)上的差異，使得國產(chǎn)T800碳纖維與HT-280樹脂能形成更好的界面黏結(jié)。

 

而測試也證明了這一點，東麗T800H碳纖維與HT-280樹脂的界面剪切強度約為92MPa，國產(chǎn)T800碳纖維與HT-280樹脂的界面剪切強度約為117MPa，后者較前者高約27％。

 

 

在力學性能方面，國產(chǎn)T800／HT-280復合材料的0°拉伸、90°拉伸、彎曲、面內(nèi)剪切和層間剪切等力學性能均普遍高于東麗T800／HT-280復合材料。其中，90°拉伸強度高約25％，面內(nèi)剪切強度、彎曲強度高約12％、層間剪切強度高約7％。

 

 

（T800H／HT-280復合材料和國產(chǎn)T800／HT-280復合材料90°拉伸試樣破壞SEM照片）

 

一篇中國科學院大學的博士論文也證明：國產(chǎn)T800碳纖維拉伸強度平均值5.63GPa（東麗T800為5.49GPa），彈性模量平均值292GPa，斷裂伸長率平均值1.9%，與東麗公司T800碳纖維產(chǎn)品一致，表明國產(chǎn)碳纖維力學性能完全達到了國外同類產(chǎn)品水平，且各項指標Cv值均較低，穩(wěn)定性較好。國產(chǎn)T800碳纖維12K產(chǎn)品的元素成分和表面活性與東麗T800碳纖維12K產(chǎn)品比較一致。國產(chǎn)T800碳纖維整體可媲美日本東麗T800產(chǎn)品，完全可以取代國外同類產(chǎn)品加以推廣應(yīng)用。

 

結(jié)語

 

目前，日本是高檔碳纖維材料的主要生產(chǎn)國，日本東麗公司的T800系列碳纖維，是唯一被美國FAA批準用于波音777關(guān)鍵飛行部件的碳纖維，航空工業(yè)中碳纖維的重要性不言而喻。

 

西方國家長期對中國施行T800系列碳纖維禁運，以阻止中國以此提高軍用飛機性能以及在國際航空航天材料中獲得競爭力。2013年有中國商人在美國被控告非法采購T800系列碳纖維。

 

必須指出的是，過去國內(nèi)雖然能做出與國外媲美的產(chǎn)品，但在成本上往往高于國外同類產(chǎn)品。而據(jù)哈爾濱人民政府網(wǎng)站1月16日報道，天順化工將規(guī)模化生產(chǎn)的T800級碳纖維的成本，控制到國際價格的三分之一，僅為350元/公斤，這實現(xiàn)在技術(shù)上能與國外同類產(chǎn)品爭鋒的同時，在定價上也占據(jù)主動，這對國產(chǎn)T800碳纖維的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用就尤為關(guān)鍵了?！疚? 觀察者網(wǎng)專欄作者 鐵流】

 

參考資料：

 

《國產(chǎn)Ｔ800碳纖維／雙馬來酰亞胺復合材料的界面及力學性能》，李偉東，張金棟，劉剛，鐘翔嶼，張代軍，包建文，肇研；

 

《久攻難克的碳纖維技術(shù)》，李克??；

 

《國產(chǎn) T800 碳纖維表征分析及樹脂基復合材料性能研究》，顧紅星。

 

（作者微信公眾號：tieliu1988）

 

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