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碳纤维——应用前景广阔的高新材料
习近平总书记指出:“新材料产业是战略性、基础性产业,也是高技术竞争的关键领域,我们要奋起直追、迎头赶上。”新材料的开发应用,能够推动技术进步和产业升级,甚至推动人类社会迈上新台阶,比如半导体材料就带我们走进了信息社会。


  放眼世界,材料学研究不断取得新突破,先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进石化化工材料等一批新材料纷纷涌现,为制造业和经济社会发展注入强劲动能。碳纤维就是新材料中应用非常广泛的一种。

        一副由碳纤维制造的自行车车架,重量仅600克左右,相当于3个苹果;一根1米长的T1000级碳纤维,手指粗的一束,重量只有0.5克,可以拉动两架民航客机;碳纤维制品可在3000摄氏度高温下安然无恙,能在酸、碱、油、盐等各种腐蚀性环境里使用……碳纤维具有强度高、模量高、耐高温、耐腐蚀、重量轻等诸多优异性能,在现代制造业中应用前景广阔,被誉为“工业黑色黄金”。

      细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁

     碳纤维是一种碳含量在95%以上的无机纤维,由不同原料经聚合、纺丝、氧化、高温碳化而成。根据原料种类,碳纤维主要有聚丙烯腈基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维3种。其中,以石油化工产品丙烯腈为主要原料的聚丙烯腈基碳纤维,占世界碳纤维总产量的90%以上,是高性能碳纤维的最主要来源。

         碳纤维具有细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁等优异性能。碳纤维直径通常为5—7微米,只有头发丝1/10左右粗细,密度较小,一般为钢的1/5、钛的2/5、铝的3/5。虽然“身轻体薄”,碳纤维强度却非常高,一般为钢的35倍。实际应用中,通常会将一定数量的碳纤维“细丝”像编绳子一样缠绕起来,一束标准的12K(即1.2万根)碳纤维不到一支铅笔粗,却可以承受130千克左右的重量。与此同时,碳纤维能在3000摄氏度高温下安然无恙,在零下100摄氏度到100摄氏度之间,其尺寸基本保持不变,并且能在高腐蚀性环境里使用,可谓“真金不怕火炼”。


  要想获得这样的特性并不容易。碳纤维制备流程长、工艺复杂,难度堪比芯片和微纳光刻。碳纤维制备流程包括上百个细分工序,涉及高分子化学、高分子物理、材料科学、高分子加工与纺丝工程、工业自动化控制、高温工程等,其工艺控制点上千,工艺参数超过万项,每一项参数的变化都会影响碳纤维的最终性能。当前世界最先进的芯片光刻技术达到几纳米尺度,与之相似,高性能碳纤维也要求碳纤维内部缺陷控制在10纳米以内。碳纤维还要经过从普通室温到1700摄氏度甚至2500摄氏度的高温碳化,且温度精度要控制在5—10摄氏度,难度可见一斑。可以说,每一束碳纤维材料都是千锤百炼得来的。因为技术要求高、制造难度大,碳纤维价格比较昂贵,宇航级碳纤维价格在每千克数千元到万元之间,是钢和铝合金价格的几十倍,但碳纤维凭借其优异性能,依然成为国民经济和国防建设不可或缺的关键材料。

          

          现代制造业的支撑性材料

     碳纤维兼具碳材料的高强度和纤维纺织材料的柔软可加工性。一束手指粗的高强度碳纤维可以拉动飞机,碳纤维还可以编织成纤维布,根据需要编织裁剪成特定形状,经树脂固化变成比高强钢强度更高的材料。因为拥有多种优异特性,碳纤维应用广泛,成为航空航天、电力、交通运输等高端装备、重大基础工程、新能源等领域重要支撑性材料。



  在航空航天领域,碳纤维的用量常被作为衡量航空航天装备水平的重要标志。碳纤维复合材料可以用于飞机、卫星、火箭等的制造,还能帮助产品减小噪声、节约燃料。例如,民航客机使用碳纤维复合材料叶片,重量比传统钛合金减少500多公斤,机身整体重量减少1吨,飞机油耗大幅度降低,航程实现有效提升。将碳纤维加入推进剂和发射药中,还能改善推进剂的力学性能,提高推进剂燃速,改善发射药的燃烧性能。

          在与民生息息相关的汽车和风电领域,碳纤维成为提升性能的利器。碳纤维复合材料的密度低、重量轻、刚度大、吸力大,碰撞时材料吸能能力高出钢结构6到7倍。将碳纤维复合材料用于汽车制造,能大幅提升汽车的加速性能、制动性能、减震性能、安全性能。比如高端精密的一级方程式赛车,各车型无一例外地应用碳纤维增强聚合物基复合材料制造车架、车身、底盘等,使车身减轻质量40%到60%,相当于钢结构质量的1/3到1/6,还保持了足够的强度和刚度。基于碳纤维材料,有的汽车生产企业已经制造出车身重量不到300千克的超级跑车。

  在风电设备方面,叶片主梁是碳纤维复合材料的用武之地。这些主梁长度往往超过70米甚至达到120米,使用大丝束碳纤维进行制造,可以明显降低叶片重量,增加叶片刚度,产品性价比大幅提升,整个机组的发电效率、稳定性也随之提高。


  在体育运动装备制造中,碳纤维也能一展身手。目前,将碳纤维用于高端体育装备制造,可以帮助运动员突破极限,创造新纪录。如在网球拍、自行车、高尔夫球杆、滑雪板、皮划艇制造中,充分发挥碳纤维材料重量轻的优势,可以减轻运动员“负担”。与铝合金球拍相比,运动员使用碳纤维制作的网球拍,可以将击打的最高球速提高20%,达到250公里/小时。未来,随着技术提升和成本降低,将会有更多运动装备用上碳纤维。

  产学研结合,做强碳纤维产业

  进入新世纪以来,我国组织优势科技力量,开展碳纤维科学技术攻关。经过20余年不懈努力,碳纤维工程化、产业化、国产化取得突破性进展。今年8月,国产T1000级聚丙烯腈基碳纤维千吨级工业生产技术,通过专家委员会技术鉴定。紧接着,全国首个万吨级高性能碳纤维生产基地在西宁建成。中国碳纤维产业从无到有、从有到大、从大到优,技术水平和产业化发展势头良好,研究应用进入高速发展新阶段。


  在这一产学研高度融合的生产领域,向市场提供种类丰富、质量稳定、产量充足、价格合理的系列产品,是碳纤维技术迭代升级的关键所在。按照国际通行标准,碳纤维产品会根据强度、模量划分为不同型号,如高强、高模、高强中模、高强高模等系列,其中高强系列又按拉伸强度分为T300、T800、T1000等型号。应用领域不同的碳纤维产品,好比一个个科研题目,需要逐个攻破。即便最低等级的T300碳纤维,强度也是一般汽车防撞梁的数倍,研发难度可想而知。在分子设计、聚合工程、凝固成型、装备精细化控制等软硬件技术合力支持下,我国在“十五”至“十三五”期间,先后突破T300、T700、T800级别聚丙烯腈基碳纤维关键技术,实现规模化生产。2022年,我国碳纤维产量已占全球1/3。

      产量上去了,超高性能碳纤维生产也亟待我们“登顶”,实现规模化、稳定化生产。T1000级碳纤维是目前全球强度最高的碳纤维系列之一。国内碳纤维生产企业与深圳大学协同攻关,攻克了这项技术。经国内权威机构检测,在年产1700吨生产线上制备这类碳纤维产品,性能达到国际同级产品水平,产品质量合格率高于95%。随着生产稳步推进,T1000级碳纤维材料将助力满足我国高端工业领域日益增长的迫切需求。


  在政策和市场双重推动下,我国碳纤维技术不断提升,碳纤维产业链逐渐完善。从奋起直追、迎头赶上到再接再厉、勇攀高峰,在实现高水平科技自立自强的路上,碳纤维技术将贡献更加坚实有力的“中国强度”。


  (作者为深圳大学教授、中国复合材料学会副理事长)


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