科技日报记者 俞慧友
“未来，高速列车永磁牵引电机可能采用新一代碳化硅功率芯片控制，这要求薄膜具有更高的耐温性和耐电晕寿命。为此，我们正在开发下一代薄膜产品。”在日前举行的“2025全国石油和化工行业科技创新大会”上，湖南株洲时代华鑫新材料技术股份有限公司（以下简称“时代华鑫”）总经理、首席专家张步峰博士作主题报告时透露。
张步峰所说的薄膜，名为高性能聚酰亚胺（PI）薄膜。薄膜通体金黄、薄如蝉翼，虽看起来“其貌不扬”，却是战略性新材料“金字塔尖”的材料。电子信息、轨道交通、航空航天和国防军工等高端领域，都离不开它。我国曾持续对其制造工艺进行攻关，然而50余年未有成果。
“以前，别人卖给我们多少材料，我们才能造出多少辆列车。而当我们制造出这种薄膜后，想造多少辆列车，就都能自己做主！”时代华鑫董事长汤海涛在接受科技日报记者采访时说。
破局：“买家”变成了“卖家”
5月24日，时代华鑫的一间千级洁净厂房中，幅宽2100毫米的高性能PI薄膜智能产线满负荷运行。
计量好的原材料被自动“投喂”到产线机器中，伴随着辊轴以每分钟近30米的速度高速旋转，在催化剂和脱水剂作用下，经低温聚合反应，制成的薄膜从钢带上缓缓剥离。
“2024年12月发布的CR450动车组样车，其永磁牵引电机上就用了我们的高性能PI薄膜。这种薄膜既耐高温又耐电晕，保障了电机运行的可靠性。”张步峰说。
看似不起眼的薄膜，一度扼住了我国列车制造和铁路发展的“咽喉”。
时间回到2010年前后，我国铁路建设迎来高峰期。“铁路线开通后需要大量列车投入运营，但能造多少辆列车，不是中国说了算。因为列车的‘心脏’——牵引电机，需要用高性能PI薄膜作绝缘材料，而当时这种材料只能依靠进口。”汤海涛解释，“换句话说，我国列车生产数量取决于国外供应商愿意卖给我们多少材料。”
20世纪60至80年代，我国先后组织专家对其进行科研攻关，但一直未能取得突破。2004年，团队开始寻找它的国产替代产品，但在市场上难觅踪迹。2010年，作为买家的他们，被逼走上自主研发之路。
制造高性能PI薄膜主要有两条技术路线——热亚胺法和化学亚胺法。“2013年，我们建成了一条热亚胺法制膜生产线，但实践证明这条路行不通。”张步峰说。
原来，美国杜邦公司对其自主研发的耐电晕PI薄膜“三层结构”启动了全方位专利保护，这一“封锁”使得我国只能尝试制造单层结构的高性能PI薄膜。和国内其他制膜厂家一样，张步峰团队应用热亚胺法制造出的单层结构高性能PI薄膜，虽然外观上与国外产品相差不大，但在应用可靠性方面却相差甚远。
其后，团队果断开启化学亚胺法的探索。2015年，他们搭建起化学亚胺法制膜中试平台。这一次，他们获得了成功，形成了完全自主知识产权的高可靠性耐电晕PI薄膜制备技术路线。
2017年，我国第一条幅宽1542毫米的化学法高性能PI薄膜生产线建成，并于次年正式投产。“在这一制约中国高技术产业发展的关键高分子材料制造领域，我们不再技不如人，也不再受制于人！”汤海涛倍感自豪。
如今，他们制造出的国产高性能PI薄膜，正逐步在我国航天航空和舰船动力等领域实施国产化替代。
突围：掀翻厚度“天花板”
随着时代华鑫突破了化学亚胺法制造单层结构高性能PI薄膜的工艺，散热PI薄膜的制造也迅速取得成功。
在时代华鑫参观展陈区，记者看到，一卷200微米厚度的散热PI薄膜样品静静陈列着。经2700℃高温烧制，它可被制成世界上最厚、达100微米的人工石墨膜。由石墨膜制成的柔性导热人工石墨片，是笔记本、智能手机等电子终端散热的核心材料。
时代华鑫制造的散热PI薄膜，竟在与美国杜邦、日本钟渊化学和韩国SKC等三大顶尖企业的竞争中脱颖而出，一举成为三星公司新产品的独家供应商，并吸引了苹果、华为、小米、OPPO等越来越多的厂商寻求合作。
究竟是什么让时代华鑫的散热PI薄膜获得国内外知名手机制造商的青睐，让世界用上了中国的“黄金薄膜”？
“我们不断突破行业对这类薄膜厚度的‘定义’，成为了标准制定者。”张步峰说。
2018年以前，用于制造人工石墨膜的散热PI薄膜的厚度“天花板”是75微米。“薄膜越厚，热通量越大，散热也越快。但薄膜越厚，经高温烧结后膨胀也越快，这让超过75微米厚度的散热PI薄膜烧结出的石墨膜容易粉化，无法成型。”张步峰解释道。
石墨的膨胀主要由PI薄膜烧制过程中内部产生的气体释放引起。想要避免这种剧烈膨胀，就必须想办法让这些“无处可逃”的气体快速释放。
为此，团队发明了碳纳米管改性薄膜技术，巧妙利用碳纳米管的中空特性和石墨层间的搭桥特性，有效调控气体的释放速度，成功解决了超厚PI膜石墨化过程中排气困难等行业难题。
2019年，团队在全球率先开发出了90微米以上的超厚型产品，可制备出50微米以上的高功率人工石墨膜。
一代材料，一代装备。材料的突破，推动了装备的革新。
厚度的突破，让人工石墨膜从最先仅用于功率器件辅助散热，逐步成为了金属均热板的“替代者”。2024年，时代华鑫在全球再次率先开发出了导热系数达2000W/(m·K)以上的超级导热人工石墨用PI原膜，将传统材料导热系数提升了70%，并且最厚可达230微米，持续引领着行业技术的发展。
解困：产线全面国产化
在时代华鑫厂区，我国第二条2100毫米超大幅宽化学亚胺法生产线正在抓紧组装产业设备。与其已有的两条产线不同的是，这是一条从设计到设备制造、工程化、生产技术全面实现“中国造”的产线。
时代华鑫在第一条化学亚胺法制膜产线建设时，曾购置了国外厂家的核心制膜装备。然而，在调试过程中，他们发现，出现问题的并非他们“做好心理准备”的国产设备，而是进口的核心制膜装备。
如果说第一次的产线建设让他们多少有些意外，那么2018年启建2100毫米超大宽幅薄膜生产线，则彰显了时代华鑫走上单线产能突破之路的决心。
当时，国外同行相同幅宽的产线年产能仅为600吨。凭借对制膜工艺和装备技术的全面掌握，团队大胆进行设计创新，使单线年产能在全球首次突破800吨。这一新的装备技术升级，不仅让公司迅速缩小了与国外同行的规模差距，更让中国在全球高性能PI薄膜生产中拥有了同幅宽单线年产量最高的产线。
两次产线搭建的经历，让团队深刻认识到，装备国产化是保障高端战略原材料供应链安全的唯一路径。“我们要彻底解决潜在风险！”张步峰说。实现全面国产化后，新产线整体制造成本预计比此前降低了60%。同时，新产线大幅缩短了从核心设备制造到投产的时间，生产效率得到极大提升。
“目前，时代华鑫的超大幅宽高性能聚酰亚胺（PI）薄膜的全国产化产线基本组装完成，即将进入调试。”张步峰表示。
“时代华鑫通过自主创新，解决了我们国家50多年都未能攻克的技术难题，打破了国外的长期技术垄断。”中国工程院院士蹇锡高评价道，“他们不仅在技术深度上有积累，更在自主技术创新的高度上实现了突破。了不起！”
