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中国这位教授填补碳纤维国内空白 用于制造直10直19

时间:2018-07-12 05:06  来源:ycyouli.com  阅读次数: 复制分享 我要评论

来源:航空制造技术,记者:李丹丹

来源:航空制造技术,记者:李丹丹

  碳纤维的国产化之路

  ——访碳纤维专家,北京化工大学徐樑华教授

  徐樑华,北化国家碳纤维工程技术研究中心主任,碳纤维及功能高分子教育部重点实验室副主任,碳纤维及复合材料研究所所长。发明出特殊工艺的T700级碳纤维制备技术及产品,支撑了我国重大型号的研制;率先实现T800级高强中模碳纤维的技术突破,填补了国内空白;研发成功M40J、M55J等高性能碳纤维国产化技术,2014年获国家科技进步二等奖。

  Q:5月8日,科技部高技术中心组织专家组在北化对科技部863课题“聚丙烯腈碳纤维石墨化关键技术研究”课题进行技术验收,请简单为我们介绍一下该课题的重要意义。

  A:这个项目主要是针对东丽M55J高强高模碳纤维材料的工艺和装备来展开的。M55J是卫星的主材料,一直以来都依赖国外进口,这个项目的验收具有两方面的重要意义:一是工艺技术的国产化,从以往的经验来看,碳纤维的制备遵循强度和模量相互制约的规律,强度高了模量就会降低,模量提高了强度就会下降。纤维是从乱层石墨到类石墨,主要是石墨结构,模量高、强度差,怎么能将两种结构特征结合起来,是我们面临的挑战。从2010年在科技部973计划支持下,开始围绕这个问题开展基础科学,提出了高强高模碳纤维的结构模型,通过M40J的技术研发,验证了这个模型的合理性后,我们一直以这个模型来指导我们的关键技术研究。二是装备国产化,高模量纤维的关键工艺就是高温石墨化,温度高达2500℃以上,炉子一直是我们的软肋。这个项目中,合作企业也是非常有经验,炉子仍是反复讨论、设计、修改,最终通过验证。工艺和装备都实现了国产化,对国外的依赖性降低,面对封锁控制才不会受制于人。

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  这个项目的亮点是将用户(北京卫星制造厂)结合在一起,将成品及时供给应用部门进行验证。国产碳纤维就面临过这样的问题,碳纤维性能优良,但是制备成复合材料后差距拉大,这就需要非常长的磨合期。T300、T700、T800与M55J相比,成本上还低一些,验证3~5年还在可承受范围之内,但是M55J成本较高,对于长时间的考核、验证,经费消耗会非常庞大。我们项目一开始就将用户结合到课题中,经过3年,我们将关键工艺、装备、工程化应用的问题并案研究,做出的纤维满足应用需求,复合材料结构件性能也达到设计要求,节省了时间、降低了成本、提高了效率,这种产、学、研、用合作模式是非常值得借鉴的。

  Q:目前占市场主导地位的是PAN基碳纤维,请简单为我们介绍一下该碳纤维的基础研究和产业化情况?

  A:PAN基碳纤维叫聚丙烯腈碳纤维,碳纤维总共有4类,这是其中一类,也是主要的一类,约占碳纤维产品的90%。国外的研究从20世纪60年代开始,我们是20世纪70年代开始,这个起步的差距不大,但是前面的35年一直在徘徊,只有近15年在高速发展。为什么在徘徊?就是缺少基础研究。从事纤维研究的企业或企业性质的研究所,大部分精力花在解决工程问题上,核心的基础研究没有关注。

日本东丽将长期向美国SpaceX飞船供应碳纤维

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  现在国内主流技术二甲基亚砜法就是我们在2000年突破的,在这之前我们做了2~3年的基础研究,把碳纤维看作高分子材料,回归到基础的科学问题,遵循高分子材料的客观规律,将复杂的问题简单化。从那以后,我们就找对了方向,快速地发展起来。前面的35年总是在探索,这个方法不行,那个方向也不行,与国外的差距就越来越大。2002年我们建成了第一条工程化线,2006年国内建成了第一条产业化线,到现在18年了,与国外在关键技术上的差距在缩小。

  产业上还有代差,5个部分组成的产业体系还不是很完善。截至2017年底理论产能是26000吨,千吨线有11条、100~400吨线有17条、500吨线有9条,但是我们的产能释放率才29%,国际上平均达到65%,东丽有时能达到70%。产能释放率低反映了我们产业技术成熟度比较低,根本原因就是体系建设不完善,其中涉及到的核心问题之一就是装备。我国的碳纤维产业化装备是从引进起步的,国内的消化、吸收、再创新做得不好,导致生产中往往是工艺去迎合装备,这样就会出现问题,引进的时候不是按照生产线引进,而是按照装置引进,自己去组装建设,供应商保证单个设备满足技术要求,是否能建成产业线是不会管的,我们没有更多的产业化经验,不能提出围绕工艺的产业化装备需求,导致很多装备生产能力达不到设计目标。

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  像几十吨到百吨级这样的装备国内还是可以做的,但是千吨级的还存在很多问题。碳纤维产业化装备的国产化制造与其他行业的装备类似,主要还是靠经验,对仿真、模拟技术的使用还有所欠缺,这就导致碳纤维生产设备特有的温度场和气流场在静态情况下满足要求,但到了生产时的动态环境,“两场”波动就比较大,这就导致生产出来的碳纤维质量波动比较大。国外对设备也有一定的限制,尤其是美国,还会限定设备的温度。德国就稍微好一些,与中国的企业合作,在中国生产,只要不是用于高端碳纤维的制备,条件还是比较宽松的。美国限定1800℃以上是需要许可证书的。

  国产设备我认为主要问题还是缺少设计模拟,引进、消化、仿制这样的逆向思维可能实施起来难度还是比较大的,因为国外的产品更新换代比较快,水平也在提高。例如预氧化设备,它需要气循环,不同的纤维品种、不同的规格,采用的循环方式是不一样的。因为我们不会设计,只能依靠引进设备的循环方式,这就比较被动。碳纤维的发展需要重视装备,不是大家认为的我有钱就能买的事情。东丽装备的雏形也是外加工,但是它会根据自己的工艺进行二次改造,装备制造商是不让参与的,而国内几乎没有二次改造,进口装备都不敢动,有的企业会有一点小的改造。

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