作為軍民兩用新材料，碳纖維被譽(yù)為21世紀(jì)的“黑色黃金”，被我國列為國防航空科技發(fā)展的重點(diǎn)研究對象。然而，其制備關(guān)鍵技術(shù)被美國、日本等發(fā)達(dá)國家長期壟斷，我國長期處于跟隨的尷尬境地。
前不久，海歸創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)烯灣科技宣布，其研發(fā)出的碳納米纖維管不僅在性能上超越已有的高性能碳纖維，而且其制備成本將遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)碳纖維。在不久的將來，碳納米纖維管有望大規(guī)模取代碳纖維，助力我國在這一領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”。
新材料中的重中之重
相較普通纖維，碳纖維是由有機(jī)固體高分子纖維在1000℃至3000℃的高溫、惰性氣體環(huán)境下，高溫分解、石墨化而成的含碳量90%以上的纖維。其力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)等性能優(yōu)異，是國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)不可缺少的戰(zhàn)略性新興材料。
碳納米管被稱為終極纖維，是由單層石墨同軸纏繞成管(單壁碳納米管)或由單壁碳納米管沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物(多壁碳納米管)。碳納米管直徑一般在一到幾十納米之間，長度則遠(yuǎn)大于其直徑，具有許多超常的物理性能(力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué))和化學(xué)性能，是一維碳納米材料。作為人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好材料，碳納米管有著極高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂應(yīng)變。
碳納米管纖維是把千千萬萬單根納米管扭擰在一起的宏觀纖維，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、多功能性的特點(diǎn)，是新一代特種纖維材料，對高端科技發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。學(xué)界普遍認(rèn)為，碳納米管纖維作為下一代新型高強(qiáng)度纖維材料，可以應(yīng)用于許多對材料強(qiáng)度要求較高的領(lǐng)域，特別是航空航天領(lǐng)域。
碳納米管纖維強(qiáng)化的先進(jìn)納米復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性模量高的特點(diǎn)。同等強(qiáng)度下碳纖維復(fù)合材料的重量僅為鋁合金的七分之一，性能超過目前航空航天上用由碳纖維制造的復(fù)合材料，其不僅在民用領(lǐng)域應(yīng)用場景廣泛，對于武器裝備性能提升同樣貢獻(xiàn)巨大，已被廣泛用于制造航空器機(jī)體及發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈外殼等領(lǐng)域。
以航空航天用復(fù)合材料為例，隨著飛行器各項(xiàng)功能不斷提高和石油燃料價(jià)格不斷上漲，在航空飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)件上，碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的比重越來越大，對材料的力學(xué)性能的要求也越來越高。
在高端汽車領(lǐng)域中，碳纖維復(fù)合材料的使用亦已形成趨勢。值得一提的是，碳纖維復(fù)合材料將輕量化與高強(qiáng)度、高安全性相結(jié)合，可以極大地提升駕駛體驗(yàn)。如果將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用擴(kuò)展到普通汽車領(lǐng)域，可以極大地降低能源消耗，減少環(huán)境污染。
除了航空航天和汽車領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料還可用于風(fēng)力發(fā)電、燃料電池、電池及超級電容器等新能源和民用器械領(lǐng)域。隨著下一代能源領(lǐng)域不斷拓展，民用碳纖維的需求比重將會(huì)越來越大。
打破國外壟斷勢在必行
出于種種原因，我國碳纖維行業(yè)長期受到技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運(yùn)以及價(jià)格打壓。目前，國內(nèi)企業(yè)只能生產(chǎn)低等級碳纖維，制造規(guī)模也很小，無法有效保證產(chǎn)品的一致性，成本居高不下。這導(dǎo)致在國產(chǎn)大飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)等眾多重大國防項(xiàng)目上，以及汽車、工業(yè)器械制造等領(lǐng)域中，先進(jìn)復(fù)合材料的使用率和合格率距離國際先進(jìn)水平仍有不小差距。落后的材料加工技術(shù)嚴(yán)重制約了我國高端制造的發(fā)展。
記者了解到，截至目前，能夠達(dá)到美國聯(lián)邦航空局國際標(biāo)準(zhǔn)性能、可以在客機(jī)中大量使用的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，基本掌握在美國、日本的少數(shù)幾家公司手中，而達(dá)到飛機(jī)使用最高標(biāo)準(zhǔn)等級的T800H、T800S，幾乎被日本東麗公司獨(dú)家壟斷。
為此，國務(wù)院2015年公布的《中國制造2025》十年行動(dòng)綱領(lǐng)中，將碳纖維材料作為國防航空科技發(fā)展的重點(diǎn)研究對象，并對碳纖維材料的研發(fā)生產(chǎn)做出了部署規(guī)劃。
“新材料中，碳纖維是重中之重，我國卻一直難有大的突破，特別是不勻率高、毛絲多，力學(xué)性能也上不去，和國外產(chǎn)品質(zhì)量差距越拉越大，無法制備航空航天結(jié)構(gòu)材料。”已故的中國材料科學(xué)之父師昌緒曾公開坦言。
能否攪動(dòng)百億美元市場
可喜的是，我國在碳纖維產(chǎn)業(yè)上的被動(dòng)局面即將改變。海歸創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)烯灣科技在“全球首個(gè)碳納米管纖維量產(chǎn)項(xiàng)目”啟動(dòng)儀式上表示，技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出可量產(chǎn)的碳納米管纖維材料，不僅在性能上超越已有的高性能碳纖維，其制備成本也將遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)碳纖維。
烯灣科技研發(fā)團(tuán)隊(duì)帶頭人、首席科學(xué)家鄧飛博士畢業(yè)于東京大學(xué)，研究方向即為“下一代CFRP的納米復(fù)合材料的研究”。博士畢業(yè)后，鄧飛在美國特拉華大學(xué)復(fù)合材料中心繼續(xù)從事先進(jìn)納米復(fù)合材料的研究工作。特拉華大學(xué)復(fù)合材料中心作為當(dāng)前碳纖維材料及先進(jìn)復(fù)合材料的權(quán)威研發(fā)機(jī)構(gòu)，具有世界頂尖的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和科研技術(shù)，這讓鄧飛積累了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備，最終帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)突破。
根據(jù)公開檢索的情況，目前美國、日本、澳大利亞和韓國都有科研團(tuán)隊(duì)在做碳納米纖維管的研究。然而，根據(jù)已經(jīng)通過期刊公布的性能檢測數(shù)據(jù)，在兩個(gè)最關(guān)鍵的指標(biāo)強(qiáng)度和楊氏模量上，烯灣科技的指標(biāo)數(shù)據(jù)都遙遙領(lǐng)先，分別達(dá)到了3.2至5.05σ/Gpa和120至330E/Gpa，性能直逼目前最先進(jìn)的T800H和T800S碳纖維。
據(jù)業(yè)內(nèi)雜志Reinforced Plastics測算，2015年，全球碳纖維復(fù)合材料的市場達(dá)290億美元?！?015—2020年中國碳纖維行業(yè)市場競爭趨勢及投資戰(zhàn)略分析報(bào)告》指出，預(yù)計(jì)到2020年，國內(nèi)碳纖維的需求將達(dá)2.6萬噸，年均增長速率約18.8%。2020年，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模將達(dá)到128億美元。
按照鄧飛的設(shè)想，“凡是需要碳纖維應(yīng)用的領(lǐng)域，碳納米管纖維都能夠以更好的性能、更低的成本完成替代”。
盡管在外界看起來，這一目標(biāo)頗為激進(jìn)，鄧飛卻有著足夠的信心。他的底氣來自烯灣的核心技術(shù)和研發(fā)團(tuán)隊(duì)。
為早日實(shí)現(xiàn)對碳纖維全面替代的目標(biāo)，鄧飛組建了一支博士研發(fā)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)成員均畢業(yè)于國外知名院校，不僅覆蓋了該項(xiàng)目涉及的學(xué)科和方向，更擁有豐富的量產(chǎn)流程及自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得多項(xiàng)專利，樣品和生產(chǎn)設(shè)備試制進(jìn)展順利。
除核心團(tuán)隊(duì)外，鄧飛的研究還得到了許多行業(yè)泰斗和資深學(xué)者的支持。在烯灣科技首個(gè)量產(chǎn)項(xiàng)目啟動(dòng)儀式上，鄧飛在東京大學(xué)攻讀博士期間的導(dǎo)師，日本東京大學(xué)副校長、東京大學(xué)研究生院新領(lǐng)域創(chuàng)成科學(xué)研究科先進(jìn)能源工程研究室教授武田展雄不顧高齡，專程從東京飛抵深圳，見證量產(chǎn)項(xiàng)目啟動(dòng)。
目前，烯灣科技已經(jīng)獲得來自松禾資本超千萬元人民幣的風(fēng)險(xiǎn)投資，并在中國深圳、美國特拉華、日本以及中國香港同步運(yùn)營。
