碳纖維家族的明珠 出自于寫字樓里的工廠
文章來源：新材料在線 更新時間：2020-02-28 15:19:51
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碳纖維具有高比強(qiáng)度、高比剛度等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于航天、航空、軌道交通、機(jī)器人手臂等高端制造領(lǐng)域，是最重要的國家戰(zhàn)略基礎(chǔ)新型材料之一，并因此為以美國為首的國際發(fā)達(dá)國家所管控。
按制備原料劃分，碳纖維主要分為黏膠基碳纖維、聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青（PITCH）基碳纖維三大類。PAN基碳纖維占據(jù)了絕大多數(shù)碳纖維市場，是碳纖維家族中的老大，在近十年來，中國現(xiàn)已逐步實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，有力支撐了中國先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)、衛(wèi)星等尖端裝備的自主可控。
然而，如何讓飛行器飛得更快，看得更遠(yuǎn)，如何賦予碳纖維復(fù)合材料更好的力學(xué)和熱學(xué)性能，如何讓碳纖維復(fù)合材料在大型和超大型裝備中應(yīng)用？高性能瀝青基碳纖維呼之欲出，國產(chǎn)化迫在眉睫。
目前市場上已有的PAN基碳纖維的最高模量是580GPa，導(dǎo)熱系數(shù)最高是160 W/m·K;而高性能瀝青基碳纖維模量超過800GPa，導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá)1000 W/m·K以上，是銅的兩倍半，是當(dāng)前最好的結(jié)構(gòu)與功能一體化材料。在應(yīng)用中，高性能瀝青基碳纖維常和PAN基碳纖維聯(lián)合設(shè)計(jì)、配合使用，擴(kuò)展了力學(xué)設(shè)計(jì)區(qū)間，同時賦予其全新的功能特性。二者相輔相成，大大拓展了高性能碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域和市場空間。正是基于此，瀝青基碳纖維被業(yè)內(nèi)人視為碳纖維行業(yè)的下一個金礦。
只不過，瀝青基碳纖維的開發(fā)難度較PAN基碳纖維有過之無不及。事實(shí)上，國際上僅有美日的3家企業(yè)完成了瀝青基碳纖維的產(chǎn)業(yè)化，但對我國實(shí)施了更為嚴(yán)格的技術(shù)封鎖。我國對相關(guān)的研制也不甘落后，從上世紀(jì)七十年代起，國內(nèi)已經(jīng)展開了相關(guān)的研究工作，但由于各種原因一直未能取得產(chǎn)業(yè)化的突破，空前的開發(fā)難度讓很多企業(yè)望而卻步。
在三秦大地，畢業(yè)于北京化工大學(xué)的張建國，創(chuàng)立了陜西天策新材料科技有限公司（簡稱“天策科技”）。張建國帶著一群熱血青年組成的團(tuán)隊(duì)，迎難而上、臥薪嘗膽，用近七年的青春摸索出了瀝青基碳纖維的產(chǎn)業(yè)化之路。中國又多了一項(xiàng)不再受制于人的戰(zhàn)略新型材料。
雄關(guān)漫道，封鎖下的瀝青基碳纖維產(chǎn)業(yè)
高性能瀝青基碳纖維作為有巨大影響力的核心戰(zhàn)略物資，可廣泛應(yīng)用于軍工、航空航天、電子、交通運(yùn)輸、體育用品、能源裝備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
而以航天、航空為代表的中國尖端科技領(lǐng)域?qū)@種材料需求迫切，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2021年，我國各個領(lǐng)域?qū)r青基碳纖維的需求量將達(dá)到645噸。但國外對我國實(shí)施嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，管制級別一直高于PAN基高強(qiáng)中模級碳纖維和高強(qiáng)高模級碳纖維產(chǎn)品。
國際上僅有美國氰特、日本三菱和日本石墨纖維三家公司擁有產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，這些國際公司的瀝青基碳纖維技術(shù)已經(jīng)沉淀數(shù)十年，由軍用需求帶動產(chǎn)能，產(chǎn)能分別為230噸、1000噸和180噸。盡管目前美國制造業(yè)已經(jīng)弱化、日本市場自我消化有限，仍然設(shè)置了對中國的嚴(yán)格禁售條例。這些碳纖維企業(yè)與中國市場雙方都只能眼巴巴看著對方無緣“牽手”。
為打破這一困局，也有高校和科研機(jī)構(gòu)在暗暗較勁。事實(shí)上，瀝青基碳纖維在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)取得了一些成果，但在產(chǎn)業(yè)化的探索上一直舉步維艱。
其產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)在哪里？國外對中國瀝青基碳纖維的封鎖不僅在產(chǎn)品層面，在技術(shù)和原材料方面都實(shí)施嚴(yán)格的管制。與PAN基碳纖維的原料取自于聚丙烯腈不同的是，瀝青基碳纖維的原料取自于石油和煤炭，而石油和煤炭的成分十分復(fù)雜，這使得在合格的原材料獲取上門檻變高；其次，在把渣油轉(zhuǎn)變成中間相瀝青之后，需要進(jìn)行熔融紡絲，在這個過程中，由于中間相瀝青紡絲強(qiáng)度很低，輕輕一碰就碎，難以保證成絲率。這兩者使得高性能瀝青基碳纖維的制備難度極高。
沒有原料、沒有設(shè)備、沒有技術(shù)，成為橫亙在中國瀝青基碳纖維國產(chǎn)化面前的三座大山，也成為張建國率領(lǐng)下的研發(fā)團(tuán)隊(duì)立志要攻克的難關(guān)。
篳路藍(lán)縷，寫字樓里出來的生產(chǎn)工廠
1993年，就讀于北京化工大學(xué)的張建國與中間相瀝青基碳纖維結(jié)緣，參與了相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，并認(rèn)識了大師兄遲偉東。當(dāng)時瀝青基碳纖維應(yīng)用的領(lǐng)域并不明確，因此這個項(xiàng)目也被束之高閣。但碳纖維的夢想自此在張建國的心中扎下了根。
2004年，還在上海交通大學(xué)攻讀材料學(xué)博士的張建國放棄了學(xué)業(yè)，開始了他的新材料生意，他的“戰(zhàn)場”也從新材料理論的研究轉(zhuǎn)向了新材料的應(yīng)用實(shí)踐。對行業(yè)情況熟門熟路的他越來越感覺有必要將瀝青基碳纖維國產(chǎn)化，雖然他深知這注定是一條充滿荊棘之路。
說干就干。2008年，張建國創(chuàng)立了天策科技，針對瀝青基碳纖維及復(fù)合材料展開研制與生產(chǎn)。他明白，向科技險(xiǎn)峰攀登的路上永遠(yuǎn)不會孤行，不久后，師兄遲偉東在實(shí)驗(yàn)室里傳來消息，其一直進(jìn)行的研究也取得了重要成果，在實(shí)驗(yàn)室打通了中間相瀝青的紡絲、氧化、碳化連續(xù)化工藝。
2013年，經(jīng)過前期的深入論證和探索，天策科技組建專門研發(fā)團(tuán)隊(duì)在西安國家民用航天基地開啟了瀝青基碳纖維的產(chǎn)業(yè)化步伐。經(jīng)過2000多個日夜持續(xù)攻堅(jiān)，天策科技交出了一份優(yōu)異的答卷：在關(guān)鍵工藝方面，實(shí)現(xiàn)連續(xù)原絲生產(chǎn)和連續(xù)石墨纖維生產(chǎn)；在關(guān)鍵設(shè)備方面，自主研發(fā)的石墨化爐取得突破，最高石墨化溫度3200℃；應(yīng)用研究方面，碳纖維織物的制備及碳/碳復(fù)合材料小樣制備，性能達(dá)到預(yù)期；放大設(shè)計(jì)也實(shí)現(xiàn)通關(guān)。
目前，天策科技建成了1.5噸的產(chǎn)線，同時正在籌備20噸級的產(chǎn)線。“現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化工藝路線的打通，也就意味著擺脫了被‘卡脖子’的現(xiàn)狀。”張建國說。
復(fù)盤這些年為實(shí)現(xiàn)瀝青基碳纖維產(chǎn)業(yè)化而奔走的歷程，張建國感慨萬千，發(fā)現(xiàn)遇到的挑戰(zhàn)遠(yuǎn)比想象中的多。從2013年開始，天策科技花了近四年的時間對關(guān)鍵裝備和工藝路線進(jìn)行了突破，又花了三年時間對產(chǎn)品進(jìn)行穩(wěn)定化和性能的提升。
如果去天策科技拜訪會發(fā)現(xiàn)，其小試生產(chǎn)線竟是設(shè)置在寫字樓的八樓內(nèi)，因?yàn)楫a(chǎn)線要求是一個細(xì)長型的空間，于是張建國將產(chǎn)線搬到了這棟寫字樓，在頂樓設(shè)置水箱，樓下擺放著變壓器，其他樓層和車庫等都被這條生產(chǎn)線“霸占”了不少空間。張建國尷尬一笑表示，因?yàn)楦鞣N原因，一直拖著在這棟寫字樓里搞生產(chǎn)。
盡管諸多不便，張建國還是顯得很樂觀，他調(diào)侃道，整個研制的過程其實(shí)還挺有意思的，“有困難要上，沒有困難制造困難也要上”成了張建國和他的團(tuán)隊(duì)的口頭禪。
在設(shè)備方面，張建國也屢屢碰壁。瀝青基碳纖維制備過程需要超高溫爐子，在國內(nèi)購買不到，張建國思忖著去國外引進(jìn)，但國外四處吃閉門羹，只好自己研發(fā)。一開始通過委外加工，所有的設(shè)備都自己進(jìn)行根據(jù)實(shí)際情況改良，甚至工藝細(xì)節(jié)上的設(shè)備也經(jīng)過了改良。
自己改良設(shè)備的路程雖然充滿了坎坷，耗費(fèi)了大量時間，但收獲不少，天策科技的高溫爐改造取得了不錯的成績，“現(xiàn)在可能國內(nèi)最高溫度的爐子就在我們這里。”
他對《大國之材》表示，這是一個技術(shù)密集型、資源密集型、資金密集型的行業(yè)。沒有技術(shù)就自己摸索，缺少資源想辦法整合，需要資金就傾囊投入。整個項(xiàng)目立項(xiàng)至今，天策科技投入了6000多萬元，資金的來源全部是自籌。
七年的投入也培養(yǎng)出一個50多人的年輕研發(fā)團(tuán)隊(duì)。“雖然還在持續(xù)投入階段，但大家都有這樣一種情結(jié)，想要努力把這件事情做好。”在這些年輕人看來，前面那么多在別人看來不可能的困難都戰(zhàn)勝了，后面再多的挑戰(zhàn)也都會迎刃而解。
在技術(shù)團(tuán)隊(duì)的努力下，天策科技已經(jīng)在瀝青基碳纖維產(chǎn)業(yè)化的各主要環(huán)節(jié)都形成了自主知識產(chǎn)權(quán)，目前已經(jīng)相繼獲得了多項(xiàng)國家專利，形成了有別于國外幾家現(xiàn)有瀝青基碳纖維產(chǎn)業(yè)化企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和獨(dú)特工藝。這個如磐石般穩(wěn)定的團(tuán)隊(duì)磨礪出的敢打硬仗的氣質(zhì)，在張建國看來更是天策科技這七年積累下來的最寶貴的財(cái)富。
曙光乍現(xiàn)，抓住機(jī)會將優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為勝勢
瀝青基碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路布滿荊棘，支撐一貫低調(diào)的張建國堅(jiān)持走下來的，除了給力的技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)和根植在心中的國產(chǎn)化情結(jié)，還有他對這個材料應(yīng)用前景的信心。
張建國的思路是通過高端應(yīng)用帶動技術(shù)，把技術(shù)孵化成熟，進(jìn)而擴(kuò)大產(chǎn)能、降低成本，成為高端制造業(yè)普遍用得起的好材料。目前，瀝青基碳纖維的應(yīng)用場景還集中于不計(jì)較成本的、較為特殊的航空航天等尖端領(lǐng)域。
張建國認(rèn)為，目前應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)較為成熟的“老大哥”PAN基碳纖維為瀝青基碳纖維的發(fā)展具有非常大的借鑒意義：“和PAN基碳纖維應(yīng)用拓展的路徑不同，瀝青基碳纖維是從高端的領(lǐng)域往下延伸。不過其市場增長的方式也會像PAN基碳纖維一樣，從起始的不足噸級到最終萬噸級的市場。”
盡管目前因?yàn)榧夹g(shù)和產(chǎn)能限制，導(dǎo)致成本較高，但瀝青基碳纖維的原料成本有更多的下降空間。張建國算了一筆賬，PAN基碳纖維的收率在45%左右，如果瀝青基碳纖維進(jìn)入百噸生產(chǎn)線，其收率可達(dá)70%左右。
在張建國看來，瀝青基碳纖維更多扮演的是與PAN基碳纖維相輔相成的角色，由于其模量高，在工業(yè)高精度裝備、軌道交通和建筑補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域內(nèi)將PAN基與瀝青基碳纖維混合起來使用。“因?yàn)閺?fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性，兩者結(jié)合能夠在結(jié)構(gòu)上向更高的性能發(fā)展，在功能上也向全新的領(lǐng)域延伸，兩者結(jié)合使用也將擴(kuò)展整個碳纖維的應(yīng)用。”
盡管前景可觀，張建國坦言天策科技需要面臨的挑戰(zhàn)依然不少。其深度研發(fā)涉及多個領(lǐng)域、多個學(xué)科，技術(shù)難度大、研發(fā)周期長；項(xiàng)目需要大量的資金持續(xù)的投入，投資強(qiáng)度之高，往往超出憑企業(yè)一己之力所能及的范疇；項(xiàng)目成功需要相關(guān)行業(yè)的資源深度的介入，包括上游的油企、煤企資源，以及下游的客戶市場資源。對于資源的整合，張建國始終抱著開放且積極的態(tài)度。
時間緊、任務(wù)重！業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，未來3-5年對中國實(shí)施出口管制的局面不會變，已經(jīng)有多家大型央企和上市公司都對此表現(xiàn)出持續(xù)的濃厚興趣，瀝青基碳纖維行業(yè)科創(chuàng)屬性鮮明，正在成為投資熱點(diǎn)。對于天策科技而言，如何抓住這個時間窗口，將優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為勝勢，至關(guān)重要。
張建國表示，天策科技計(jì)劃兩年內(nèi)建設(shè)20噸到100噸生產(chǎn)線，聯(lián)合能夠提供資源深度鏈接的合作伙伴，加速20噸線到100噸線的建設(shè)。“以重點(diǎn)項(xiàng)目為牽引深耕下游尖端裝備市場，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的自主可控和穩(wěn)定的供貨不受國外影響。”
“再過5-10年左右，解決了百噸生產(chǎn)線的穩(wěn)定性問題，進(jìn)入中國先進(jìn)制造業(yè)的大面積應(yīng)用將成為可能。”張建國憧憬道。
寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。期待天策科技這家從寫字樓里走出的工廠更加興旺，更期待高性能瀝青基碳纖維這顆碳纖維家族的明珠早日璀璨綻放。 |
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