中国碳纤维制造突破西方国家技术封锁禁运重围

2012年我国的钢产量已经达到了7.16亿吨,产值超过3万亿元,只要把其中的超级钢比例提高1%,其带来的直接经济效益增量就会超过数十亿元。

自重更轻而硬度更高,似乎是人们一直不懈追求的方向,针对这种需求,碳纤维和超级钢的开发应用已经成为国际上新材料领域和钢铁领域令人瞩目的研究热点。

既轻又坚固的新材料,似乎从未如此像今天这样近距离的走进过我们的生活。

在刚刚过去的1月份,宝马公司在中国推出了全新进口5系轿车,这款车最大看点之一,就是其超轻量级的碳纤维引擎盖有效的降低了重量。

去年,一家科技网站称,苹果正在打造一款神秘设备,而它要用到碳纤维材质。消息称,碳纤维材质部件主要用于设备的外壳部分。或许不久的将来,iPhone 6外壳由碳纤维材料打造也说不定。

以细晶粒、高强度、低成本、环境友好为特征的超级钢,自本世纪初在宝钢、鞍钢、本钢等实现工业生产之后,在钢铁企业掀起一阵阵超级钢旋风,各厂竞相开发超级钢板带材、棒线材等产品,超级钢产量由最初的几千吨试制品迅速飙升到数千万吨。超级钢的技术思路已经深入人心。目前,已由企业个别行动升级为行业规范和国家标准。

超级钢:挺起和平发展脊梁

“30年后,将是‘超级钢铁’的时代。” 我国轧钢领域的著名专家东北大学刘相华教授在接受科技日报采访时,表达了自己对于超级钢未来发展趋势的预测。

2012年,央视《创新中国》栏目报道,我国的微晶钢(超级钢)居于世界领先地位。超级钢的特点是:低成本、高强韧性、环境友好、节省合金元素和有利于可持续发展,被视为钢铁领域的一次重大革命;我国是目前世界上唯一实现超级钢的工业化生产的国家,其他国家的超级钢尚未走出实验室。

刘相华表示,目前的钢铁材料还远未达到强韧性的理论极限,“超级钢铁”研究还将继续下去,这几年我国陆续出现的第三代汽车钢、高品质特殊钢等就是例证。

超级钢发展的另一个着眼点是废钢的再利用,30年后我国将有更多的钢铁陆续退出服役期成为废钢,废钢的循环利用比用铁矿石炼钢简单廉价,到那时超级钢因其成分简单而发挥出无可比拟的优势。

据刘相华介绍,2012年我国的钢产量已经达到了7.16亿吨,产值超过3万亿元,只要把其中的超级钢比例提高1%,其带来的直接经济效益增量就会超过数十亿元。

刘相华说,开发超级钢的历程可以追溯到1998年,那时我国钢产量已经跃居世界第一,但是品种质量与国外差距很大。科技部分别在1998年和2001年启动了973计划:《新一代钢铁材料研究》和863计划:《500MPa碳素钢先进制造技术》。在这两个重大项目的支持下,东北大学与宝钢、一汽等企业合作,2002年成功地实现了超级钢的工业生产并用于汽车制造,这标志着我国超级钢开发应用走到国际前列。

在这两个重大项目结题之后,作为国家层面的超级钢开发整体上告一段落,超级钢的思想已经深入人心,作为超级钢标志性成果的一系列技术措施在全国遍地开花。

“开发超级钢过程中形成的技术思路,十多年来一直影响着钢材品种开发和质量提升的发展趋势。” 刘相华说道。

近年来已经把超级钢低成本、高强度的思想升级为低成本、高性能。除了强度这个重要的指标之外,在经历一系列破坏性地震、海啸等重大自然灾害之后,人们更加关注钢材的屈强比、抗震性、耐火性等关乎人类生命安全的钢材技术指标。“超级钢的技术指标体系中,不再是‘强度’一枝独秀,而是强度、塑性、韧性以及抗震性和耐火性等使用性能全面提升。” 刘相华说。

随着我国超过美国成为汽车产量第一大国,汽车用钢品种质量发展迅速。刘相华介绍,汽车用钢的主导产品的强度等级正在由200—400MPa向500—800MPa的方向发展,个别部件甚至超过了1000MPa。低成本、高性能的技术路线,取得成功。

贯穿超级钢开发中低成本、高性能的思想,不仅可用于提升材料内部的性能,也可以外延用于优化钢材的形状尺寸。这方面,刘相华教授领导的东北大学差厚板课题组近几年在变厚度轧制方面的科研实践取得了成效。

据统计,差厚板用于汽车制造减重效果可达10—40%。刘相华表示,令人兴奋的是,今年3月7日上海汽车集团召开了“连续差厚板自主技术国内首次成功量产应用总结会”,标志着变厚度轧制技术已经由实验室进入大生产。给超级钢产品插上变厚度的翅膀,将开辟出钢材节能减排的一片新天地。

碳纤维:突出技术封锁重围

中国用聚丙烯腈为原料生产碳纤维的研究始于1962年,起步可谓不晚,但长期未取得实质性进展。国家新材料产业发展战略咨询委员会副秘书长李克健在接受采访时曾表示,由于碳纤维在航空航天等国防工业中有重要用途,西方国家将其视为军用物资,对中国“禁运”,更不转让生产技术。

去年9月,中科院宁波材料所把一辆碳纤维小汽车开进了人才科技周的高新技术成果交易洽谈会赚足了眼球,亮点主要在其外壳上:在普通材质的汽车引擎盖上,榔头用力敲击,漆盖上很有可能会有凹陷,而这辆车的车壳却非常坚固,用力敲击车盖后会迅猛反弹,表面丝毫未损。伴随着这次亮相,彻底颠覆了纤维一词在人们脑海中的柔弱印象。

“这种碳纤维复合材料做的车,比起普通用钢材制造的汽车,它的最大特点是轻和快。”中科院宁波材料所的赵晓光介绍说,这辆车抛弃了传统的钢结构,大量采用弹纤维材料制成,比普通钢材的汽车重量能减少60%。在同样用油情况下,这辆车每小时可以多开50公里。

体重减轻了,安全性如何?机械科学研究院复合材料专家陈长年介绍到,虽然碳纤维看起来像塑料,但实际上这种材料抗冲击性比钢铁强,特别是用碳纤维做成的方向盘,机械强度和抗冲性相比大大提高。在复合材料的“武装”下,这辆小车反倒成了家用车中的“装甲车”。据陈长年透露,现在这种碳纤维材料已经在高速列车的裙摆上应用。

碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中,时间已过去30多年,它至今仍保持纤维形态。

陈长年说,碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

■碳纤维的故事

师昌绪,80岁接过“烫手山芋”

1975年,国防科工委召开了一次专题会议,部署国内碳纤维研究工作,并制定了10年发展规划。1978年,国家科委恢复,碳纤维转由科委为主管理,新材料处把碳纤维视为重中之重,花费大量精力和经费,碳纤维质量虽有所提高,却一直难以有大的突破。一连串的失利严重挫伤了各方面的信心,国家各部门在20世纪后期的10多年内都不愿或不敢大量投资,使碳纤维研发成为一块令人望而生畏的“烫手山芋”。

直到2000年初,我国著名的物理冶金学家、材料科学家师昌绪找到了李克健说:“中国的碳纤维上不去,影响国防科技和高新技术发展,关系到国家安全,不搞上去不行。我已近80岁了,80岁以后要少管点事,但想抓一抓碳纤维。”

师昌绪的意见得到当时科技部高新司副司长石定寰、材料处处长马燕合、“863”计划新材料领域首席科学家石力开等人的支持,决定在“863”新材料领域立软课题“聚丙烯腈基碳纤维发展对策研究”,成立以师昌绪为组长的软课题组。

2001年10月,科技部决定设立碳纤维专项,当年11月成立了专家小组。2002年2月26日科技部高新司召开“863”计划新材料领域“十五”安排通气会,师先生针对碳纤维专项再次提出:一是目标要明确,二是组织形式要创新,要推行联合,不能有门户之见,不能形成“瓜分体制”,支持建设高水平的分析测试平台,支持建立公平、公正、高透明的取样评价体系。

2002年3月9日,专家组在太原开会,最后修改审定“‘十五’战略目标”,并按此对战略目标作了若干重要修改。

2003年1月17日,国家自然科学基金委员会批准碳纤维领域两个重点项目,由“宏观调控经费”资助。2005年碳纤维项目被批准为国家重大基础研究项目,获得了宝贵的基础研究经费。

当我国碳纤维技术取得进展,产业化起步后,师昌绪立即把国产碳纤维应用提上日程,努力支持开展相关应用研究,并为此争取专项经费,取得重要成绩。

国产碳纤维生产即将取得突破。李克健说,我国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路已初见成效,到“十一五”末期基本实现了相当于日本T300的国产碳纤维规模生产线,并且有一些企业已形成了T700以上水平的百吨生产线、中国碳纤维产业已经从重重封锁及围追堵截中找到突破点!

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责任编辑:冷媚
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