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碳纖維：“材料皇冠上的明珠”
飛機(jī)、風(fēng)力發(fā)電葉片、斜拉索大橋、專業(yè)自行車、羽毛球拍……這些看似毫無關(guān)聯(lián)的東西，其實都會用到同一種新材料——碳纖維。
這種優(yōu)質(zhì)材料背后有著復(fù)雜的技術(shù)工藝。攻克核心技術(shù)，沒有竅門和近路。面對國外技術(shù)封鎖，為摘下碳纖維這顆“材料皇冠上的明珠”，中國人經(jīng)歷了艱難的研發(fā)歷程。
“材料皇冠上的明珠”
“碳纖維是一種神奇的材料。”在中國建材集團(tuán)中復(fù)神鷹黨委書記、副總經(jīng)理羅皞宇看來，材料是制造業(yè)的基礎(chǔ)，而碳纖維相關(guān)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)電葉片、體育休閑、壓力容器、碳/碳復(fù)合材料、交通建設(shè)等領(lǐng)域，其重要性不言而喻。
之所以應(yīng)用如此廣泛，與碳纖維的特性有關(guān)。
碳纖維耐高溫實驗。李太源 攝
碳纖維具有出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，密度比鋁低，強(qiáng)度比鋼高，比不銹鋼耐腐蝕，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高比強(qiáng)度和最高比模量的纖維。
一束1米長的SYT65(T1000級)碳纖維，重量只有0.5克，但其強(qiáng)度可以承擔(dān)500公斤左右的力量。手指粗的一束碳纖維，就可以拉動兩架飛機(jī)。
碳纖維在王水中的腐蝕試驗。碳纖維(左)在王水中沒有任何反應(yīng)，鐵絲(右)有腐蝕反應(yīng)。李太源 攝
此外，用碳纖維制作的超輕自行車車架，僅用兩根手指就可抬起；即便將碳纖維放入具有強(qiáng)腐蝕性的“王水”中也是“波瀾不驚”，肉眼難以觀察到明顯反應(yīng)。
超輕碳纖維自行車架，女孩子兩指可以抬起。李太源 攝
與如此優(yōu)質(zhì)特性對應(yīng)的，是碳纖維復(fù)雜的生產(chǎn)工藝流程。
公開資料顯示，生產(chǎn)碳纖維要經(jīng)過上百道工序，三百多項關(guān)鍵技術(shù)、三千多個工藝參數(shù)，經(jīng)過十多個系統(tǒng)的集成才能制作完成。因此，碳纖維也被稱為“材料皇冠上的明珠”。
“一天‘燒’掉一輛桑塔納”
為摘下這顆“材料皇冠上的明珠”，研究人員經(jīng)歷了艱難的研發(fā)過程。
我國碳纖維研發(fā)始于20世紀(jì)60年代初，但關(guān)鍵核心技術(shù)卻多年未能取得突破，導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口。
另一方面，掌握核心技術(shù)的“碳纖維強(qiáng)國”，對我國需要的碳纖維實行“技術(shù)、裝備、產(chǎn)品”三封鎖。中國研發(fā)人員只好“另辟蹊徑”。
2005年9月，中復(fù)神鷹正式啟動碳纖維項目，此后相繼攻克了高溫牽伸機(jī)、濕法紡絲工藝百噸線、千噸線原絲制備和碳化工藝等全流程的關(guān)鍵技術(shù)。2007年，中復(fù)神鷹產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的第一批碳纖維下線；2008年其建成了千噸SYT35(T300級)碳纖維生產(chǎn)線。
2006年-2012年，中復(fù)神鷹主要從事濕法工藝T300碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)，建成千噸 SYT35(T300級)碳纖維生產(chǎn)線，并實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。
然而，從T300碳纖維“升級”到SYT65(T1000級)碳纖維，卻遠(yuǎn)不如想象中的容易。甚至，企業(yè)在研發(fā)高潮階段“每天‘燒’掉一輛桑塔納”。
中國建材中復(fù)神鷹西寧公司總經(jīng)理連峰告訴記者，在此期間，公司每年投入都達(dá)到“大幾十萬”。“因為前期投入大量的研發(fā)費用，又沒有新的產(chǎn)品，所以這是我們發(fā)展‘最黑暗的時期’，每天都在虧損。”
經(jīng)過無數(shù)次失敗，2008年，中復(fù)神鷹千噸碳纖維生產(chǎn)線正式投產(chǎn)。2012年，中復(fù)神鷹首個干噴濕紡千噸級T700生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，成為當(dāng)時國內(nèi)最大、技術(shù)最先進(jìn)的高端碳纖維生產(chǎn)線。2018年，中復(fù)神鷹牽頭完成的“干噴濕紡千噸級高強(qiáng)/百噸級中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目榮獲國家科技進(jìn)步一等獎。
中國人用世界上先進(jìn)的干噴濕紡技術(shù)，成功做出了“中國碳纖維”。
碳纖維生產(chǎn)線。李太源 攝
“一家創(chuàng)新”帶動“N家更新”
“現(xiàn)在說出來十分輕松，但當(dāng)時真的是太難了。”中復(fù)神鷹董事長張國良曾這樣感慨。
“比如，紡絲液要經(jīng)過空氣層，這個環(huán)節(jié)最難的地方在于，如何在那么短暫的時間里把紡絲液細(xì)流快速從水里拉過去。紡絲液進(jìn)入水中后，本身沒有強(qiáng)度，但又需要以很快的速度朝前拉，而且要馬上形成強(qiáng)度。該怎么辦？得靠溫度。光是試這個溫度，我們當(dāng)時就試了無數(shù)次，最后才終于試成功了。再比如紡絲速度，干噴濕紡工藝下，意味著我們要把紡速從此前的70米/分鐘-80米/分鐘，一下子提高到400米/分鐘，這個技術(shù)難度更是可想而知。可以說，這個工藝的理論模型，我們就是這樣一步步總結(jié)、一點點建立起來的。”他說。
從最初技術(shù)上的逐步嘗試，到如今萬噸碳纖維基地已投產(chǎn)。原材料企業(yè)攻克核心技術(shù)，下游各類生產(chǎn)企業(yè)就能拿著新材料做新產(chǎn)品，實現(xiàn)了“一家創(chuàng)新”帶動“N家更新”。
2021年9月，位于青海西寧的中復(fù)神鷹西寧萬噸碳纖維基地投產(chǎn)，這也是全球海拔最高的高性能碳纖維生產(chǎn)基地；全面投產(chǎn)后，該基地成為全球唯一一個規(guī)模超過2萬噸的高性能碳纖維生產(chǎn)基地。
碳纖維成品。李太源 攝
連峰直言，“這既是我們響應(yīng)市場需求，也是集團(tuán)在新材料領(lǐng)域的戰(zhàn)略部署，就是要做大做強(qiáng)新材料產(chǎn)業(yè)鏈。”
他介紹，目前該基地主要生產(chǎn)T700、T800、T1000一系列級別的產(chǎn)品。“在這些產(chǎn)品大量供應(yīng)市場后，能夠進(jìn)一步滿足國內(nèi)航空航天、風(fēng)、光、氫、新能源等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，同時也保障了我們國家碳纖維的自主生產(chǎn)能力，實現(xiàn)了關(guān)鍵領(lǐng)域材料的國產(chǎn)化。”
據(jù)了解，目前，中復(fù)神鷹連云港總部已實現(xiàn)T1100級碳纖維的成功制備。
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