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我国科研团队研发碳纳米纤维管 锻造中国版“黑色黄金”
来源:中国经济网—《经济日报》  2017-02-23 09:59:31
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=246&news_id=4436  作为军民两用新材料,碳纤维被誉为21世纪的“黑色黄金”,被我国列为国防航空科技发展的重点研究对象。然而,其制备关键技术被美国、日本等发达国家长期垄断,我国长期处于跟随的尴尬境地。
前不久,海归创业团队烯湾科技宣布,其研发出的碳纳米纤维管不仅在性能上超越已有的高性能碳纤维,而且其制备成本将远低于传统碳纤维。在不久的将来,碳纳米纤维管有望大规模取代碳纤维,助力我国在这一领域实现“弯道超车”。

  新材料中的重中之重

       相较普通纤维,碳纤维是由有机固体高分子纤维在1000℃至3000℃的高温、惰性气体环境下,高温分解、石墨化而成的含碳量90%以上的纤维。其力学、化学、电学等性能优异,是国民经济与国防建设不可缺少的战略性新兴材料。
       碳纳米管被称为终极纤维,是由单层石墨同轴缠绕成管(单壁碳纳米管)或由单壁碳纳米管沿同轴层层套构而成的管状物(多壁碳纳米管)。碳纳米管直径一般在一到几十纳米之间,长度则远大于其直径,具有许多超常的物理性能(力学、电学、热学)和化学性能,是一维碳纳米材料。作为人类迄今为止发现的力学性能最好材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变。
       碳纳米管纤维是把千千万万单根纳米管扭拧在一起的宏观纤维,具有轻质、高强、多功能性的特点,是新一代特种纤维材料,对高端科技发展具有重大战略意义。学界普遍认为,碳纳米管纤维作为下一代新型高强度纤维材料,可以应用于许多对材料强度要求较高的领域,特别是航空航天领域。
       碳纳米管纤维强化的先进纳米复合材料具有质量轻、强度高、弹性模量高的特点。同等强度下碳纤维复合材料的重量仅为铝合金的七分之一,性能超过目前航空航天上用由碳纤维制造的复合材料,其不仅在民用领域应用场景广泛,对于武器装备性能提升同样贡献巨大,已被广泛用于制造航空器机体及发动机、导弹外壳等领域。
       以航空航天用复合材料为例,随着飞行器各项功能不断提高和石油燃料价格不断上涨,在航空飞机的主要结构件上,碳纤维强化复合材料的比重越来越大,对材料的力学性能的要求也越来越高。
       在高端汽车领域中,碳纤维复合材料的使用亦已形成趋势。值得一提的是,碳纤维复合材料将轻量化与高强度、高安全性相结合,可以极大地提升驾驶体验。如果将碳纤维复合材料应用扩展到普通汽车领域,可以极大地降低能源消耗,减少环境污染。
       除了航空航天和汽车领域,碳纤维复合材料还可用于风力发电、燃料电池、电池及超级电容器等新能源和民用器械领域。随着下一代能源领域不断拓展,民用碳纤维的需求比重将会越来越大。

  打破国外垄断势在必行

       出于种种原因,我国碳纤维行业长期受到技术封锁和产品禁运以及价格打压。目前,国内企业只能生产低等级碳纤维,制造规模也很小,无法有效保证产品的一致性,成本居高不下。这导致在国产大飞机、战斗机、无人机等众多重大国防项目上,以及汽车、工业器械制造等领域中,先进复合材料的使用率和合格率距离国际先进水平仍有不小差距。落后的材料加工技术严重制约了我国高端制造的发展。
       截至目前,能够达到美国联邦航空局国际标准性能、可以在客机中大量使用的碳纤维生产技术,基本掌握在美国、日本的少数几家公司手中,而达到飞机使用最高标准等级的T800H、T800S,几乎被日本东丽公司独家垄断。
       为此,国务院2015年公布的《中国制造2025》十年行动纲领中,将碳纤维材料作为国防航空科技发展的重点研究对象,并对碳纤维材料的研发生产做出了部署规划。
       “新材料中,碳纤维是重中之重,我国却一直难有大的突破,特别是不匀率高、毛丝多,力学性能也上不去,和国外产品质量差距越拉越大,无法制备航空航天结构材料。”已故的中国材料科学之父师昌绪曾公开坦言。


图① 烯湾科技研发团队带头人、首席科学家邓飞博士(中)和研发团队成员查看实验样品。
图② 电子显微镜下的烯湾碳纳米管纤维。
图③ 烯湾科技碳纳米管簇。
图④ 邓飞在显微镜下操作。

 
  能否搅动百亿美元市场

       可喜的是,我国在碳纤维产业上的被动局面即将改变。海归创业团队烯湾科技在“全球首个碳纳米管纤维量产项目”启动仪式上表示,技术团队已经研发出可量产的碳纳米管纤维材料,不仅在性能上超越已有的高性能碳纤维,其制备成本也将远低于传统碳纤维。
       烯湾科技研发团队带头人、首席科学家邓飞博士毕业于东京大学,研究方向即为“下一代CFRP的纳米复合材料的研究”。博士毕业后,邓飞在美国特拉华大学复合材料中心继续从事先进纳米复合材料的研究工作。特拉华大学复合材料中心作为当前碳纤维材料及先进复合材料的权威研发机构,具有世界顶尖的研发团队和科研技术,这让邓飞积累了坚实的技术储备,最终带领团队实现突破。
       根据公开检索的情况,目前美国、日本、澳大利亚和韩国都有科研团队在做碳纳米纤维管的研究。然而,根据已经通过期刊公布的性能检测数据,在两个最关键的指标强度和杨氏模量上,烯湾科技的指标数据都遥遥领先,分别达到了3.2至5.05σ/Gpa和120至330E/Gpa,性能直逼目前最先进的T800H和T800S碳纤维。
       据业内杂志Reinforced Plastics测算,2015年,全球碳纤维复合材料的市场达290亿美元。《2015—2020年中国碳纤维行业市场竞争趋势及投资战略分析报告》指出,预计到2020年,国内碳纤维的需求将达2.6万吨,年均增长速率约18.8%。2020年,我国碳纤维产业的市场规模将达到128亿美元。
       按照邓飞的设想,“凡是需要碳纤维应用的领域,碳纳米管纤维都能够以更好的性能、更低的成本完成替代”。
       尽管在外界看起来,这一目标颇为激进,邓飞却有着足够的信心。他的底气来自烯湾的核心技术和研发团队。
       为早日实现对碳纤维全面替代的目标,邓飞组建了一支博士研发团队。团队成员均毕业于国外知名院校,不仅覆盖了该项目涉及的学科和方向,更拥有丰富的量产流程及自动化设备设计经验。目前,该团队已经取得多项专利,样品和生产设备试制进展顺利。
       除核心团队外,邓飞的研究还得到了许多行业泰斗和资深学者的支持。在烯湾科技首个量产项目启动仪式上,邓飞在东京大学攻读博士期间的导师,日本东京大学副校长、东京大学研究生院新领域创成科学研究科先进能源工程研究室教授武田展雄不顾高龄,专程从东京飞抵深圳,见证量产项目启动。
       目前,烯湾科技已经获得来自松禾资本超千万元人民币的风险投资,并在中国深圳、美国特拉华、日本以及中国香港同步运营。 文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=246&news_id=4436