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game Tài Xỉu(www.84vng.com):我国自主研发48K大丝束碳纤维问世!“新材料之王”究竟有什么神奇之处?

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10月13日,从中国石化新闻办获悉,我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线近日在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料开车,并生产出合格产品,产品性能媲美国外同级别产品。这标志中国石化大丝束碳纤维从关键技术突破、工业试生产、产业化,成功走向规模化生产。



在碳纤维行业内,通常将每束碳纤维根数大于4.8万根(简称48K)的称为大丝束碳纤维。该条48K大丝束碳纤维国产线可实现规模化、高品质生产。该项目采用中国石化自主开发的PAN(聚丙烯腈)基大丝束原丝、碳纤维技术,分两个阶段实施,计划于2024年全部建成投产,届时共达到2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年大丝束碳纤维产能。


大丝束碳纤维性能优越,被称为“新材料之王”“黑黄金”。上海石化研发生产的大丝束碳纤维,是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。其力学性能优异,比重不到钢的四分之一,强度却是钢的7至9倍,并且还具有耐腐蚀的特性。此外,48K大丝束最大的优势是在相同的生产条件下,不仅可以大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能,还可以实现生产低成本化,从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。


01


“新材料之王”有什么神奇之处?


大丝束碳纤维性能优越,被称为“新材料之王”“黑黄金”。


上海石化研发生产的大丝束碳纤维,是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。其力学性能优异,比重不到钢的四分之一,强度却是钢的7至9倍,并且还具有耐腐蚀的特性。



此外,48K大丝束最大的优势是在相同的生产条件下,不仅可以大幅度提高碳纤维单线产能和质量性能,还可以实现生产低成本化,从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。


“新材料之王”应用场景广泛,如风能、太阳能、高铁动车、飞机部件等。长期以来,中国的碳纤维发展主要是在小丝束碳纤维方面实现了突破,但是由于小丝束碳纤维成本高,影响了下游企业应用碳纤维的积极性。中国石化联合10余家高校、科研院所、企业,经过十余年努力,我国碳纤维实现了从12K到48K的重大突破,成功实现研发生产技术从量变到质变的飞跃。中国石化成为国内第一家、全球第四家掌握大丝束碳纤维技术的企业。


02


全球,谁能生产大丝束碳纤维?


针对大丝束特点自行设计制造国产化生产线,中国石化树立了我国碳纤维建设史上的里程碑。


碳纤维技术有着森严的技术壁垒,中国石化是国内第一家、全球第四家掌握大丝束碳纤维的企业。


中国石化集中各种资源,奋力攻克碳纤维关键核心技术,顶层设计,大兵团组织上海石化、上海石油化工研究院、上海工程公司、国内知名设备制造企业等,并在上海市委和市政府的大力支持下,联合北京化工大学、复旦大学等10余家高校、科研院所、企业,走出了一条以企业为主体的“产、学、研、用”相结合的协同创新之路,于在2018年取得技术重大突破,成功试制出48K大丝束碳纤维,并贯通工艺全流程。


经过十余年努力,我国碳纤维实现了从12K到48K的重大突破,成功实现研发生产技术从量变到质变的飞跃。


截至目前,中国石化已累计拥有碳纤维相关专利251项、碳纤维复合材料专利46项,专利排名国内第一、世界第三。


03


我国在碳纤维领域还有哪些重大突破


性能优异的碳纤维,因为制备难、技术壁垒高等特点,逐渐成为全球在材料研究领域展开竞赛的目标。特别是由于发达国家对碳纤维技术进行严格的专利保护和全面的技术封锁,导致新兴国家在发展碳纤维上举步维艰。我国早在20世纪50年代后期就展开了碳纤维的技术研究,但由于基础研究落后,碳纤维的产业发展一直在低水平徘徊,与国外的差距逐渐拉大。


2000年以后,全球碳纤维供不应求,进口碳纤维非常困难,严重影响国防安全。在此关键时刻,2001年,83岁的战略科学家师昌绪院士给中共中央写了《关于加速开发高性能碳纤维的请示报告》,得到高度重视,对推动我国碳纤维研发与投入产生了深远影响。


历经多年艰苦攻关,如今我国宇航级碳纤维的产品性能已经达到国外同类产品水平。从落后到奋起直追,我国在碳纤维研究的关键技术上取得了哪些重大突破?未来在碳纤维应用领域,还有哪些亟待开拓的空间?


我们解决了国产宇航级碳纤维的有无,这是一个很不简单的事情。到目前为止,中国碳纤维主要的成绩体现在以下三个方面。


第一是突破了碳纤维制备的关键技术,相继实现了系列碳纤维(包括T300级、T700级和T800级)的国产化,解决了航天、航空等国防工业的自主保障问题。


第二是建立了若干个高水平碳纤维和复合材料的研究研制平台,形成了包括高校、科研院所、大型企业在内的研发格局,正在推动碳纤维和复合材料的发展进入一个新阶段,这个新阶段可以说是从量变到质变的过程。


第三是在这些工作的基础上,建立了百吨级的宇航级碳纤维生产线,后续又相继开工了工业级的一些碳纤维生产线,所以国外碳纤维的价格就发生了很大变化。大概2009年到2014年这5年,T700这种工业级的碳纤维价格降到了原来的三分之一,宇航级碳纤维价格降到了以前的十分之一。所以自主解决碳纤维的有无,无论是从经济上,还是从社会效益方面都有很大的贡献。


2010年后,地方政府的积极性和热情大涨,民营企业投资的热度非常高,所以国内的碳纤维生产线放量建设,最多的时候碳纤维企业达到了40多家。近两年这种放量的趋势正在放缓,在高质量发展的推动下,现在不再一味追求增加产能。近期我国大型国企正在寻求建立高水平的研发团队和研发平台,推动产业的升级和转型。



04


未来碳纤维的产业之路该如何走


在应用方面,现在碳纤维还比较普遍地存在用不起和不会用的问题,很多工业领域目前还不会用碳纤维。现阶段形成了碳纤维发展的一个天花板,但是这个天花板不是固定的。目前亟须解决以下几个问题。


实现物美价廉。要做到价廉,解决贵的问题,首先是降低成本,就是要把生产线的效率提上来,包括工艺装备的容量,聚合釜的容量,纺丝的幅宽,碳化的幅宽。这中间装备的设计和研制是非常关键的,应该尽快解决单线产能从数百吨级提高到两千吨级。


拓宽应用领域。要扩大应用,首先是扩大我国民用航空的应用。未来,中国在20年内需要9000架民用客机,年均大概是450架。如果每架飞机碳纤维平均用量能达到5吨,那么碳纤维的年均需求就可以达到2250吨,这个数量远远超出我国目前军用、国防、航空碳纤维的用量,可以有力地拉动碳纤维的应用和发展。


汽车轻量化和绿色低碳化这个发展潮流不可阻挡,也将为我国碳纤维和复合材料行业带来巨大的市场拉动力。据估计,2025年中国的汽车产量将达到3000万辆,如果每辆汽车用5千克碳纤维,这样碳纤维的总用量也能达到15万吨,这是碳纤维一定要千方百计突破的一个应用出口。


还有一个很重要的方面,我国碳纤维在体育用品方面的用量,2020年已经达到了1.46万吨,但是主要是带料加工,用的主要还是国外的纤维,这是一个很大的市场。因为中国的人口基数大,同时还能带动我国健康产业碳纤维应用,这个市场也能达到数万吨的规模。


加大自主创新。要创新发展,加快解决高强、高模、高韧这一类碳纤维的自主发展问题。我们不可能从国外跟踪甚至引进来解决这个问题,需要做碳纤维和用碳纤维的人一起来解决第三代先进复合材料创新的问题,要抢占科技制高点。


另外,创新发展还有一个很重要的方向,就是要发展颠覆性的低成本技术,如果能实现这样一个目标,就是划时代的成就。要把碳纤维的价格降到每千克10美元以下,现在距离这个目标还有比较大的距离。能不能另辟蹊径?从目前来看有两个方向。


第一就是变革性的原丝技术,不用现在的聚丙烯腈,用天然纤维(天然废物的纤维),像木质素,或者用非常容易制造的低成本的有机纤维,甚至还有人提出可以用澳大利亚的羊驼跟其他原材料一起混纺的纤维,这些途径都值得探索。目前迫切需要变革性的原丝技术,因为原丝的成本在碳纤维成本中占到了50%左右。


第二就是要发展变革性的碳化技术,碳化的成本也占到了碳纤维成本20%以上。现在有一些方向,要做短流程的碳化,用等离子体辅助的碳化这样一些变革性的碳化技术,碳纤维最终实现大规模工业应用,进入千家万户,要跨过这个门槛。


现在来看,世界上无论从碳纤维本身,还是从碳纤维的应用,仍然存在巨大的未知和没有开拓的空间。随着科技和工业革命的深入发展,碳纤维必将大展宏图,既能够帮助我们遨游太空,也将走入千家万户,真正成为第四次工业革命重要的助推力量。


来源:上海石化,学习时报,科技日报

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