誰將是“新材料之王”?

2019-11-09 13:59:52 來源:中國建材報

奧迪碳纖維概念電動自行車

  ■本報記者畢德鵬

  幾年前,一個非常重要的行業正遭遇生存危機:一邊是國際行業巨頭蓄意打壓,一邊是產業化進程受阻。完全靠自主研發的我國碳纖維產業發展處于不進則退、內憂外患、生死攸關的關鍵時刻。

  碳纖維材料重要在何處,從其應用領域就能一目了然:美國B1、B2、F22、F117等隱型戰機大量使用碳纖維材料;戰略導彈、神舟飛船、國產新一代戰斗機上,碳纖維更是不可或缺的關鍵材料。

  碳纖維是國民經濟和國防建設中不可缺失的戰略性新材料,我國碳纖維行業經過長期自主研發,打破了國外技術裝備封鎖,產業化取得初步成果。但目前全行業存在技術創新能力弱、工藝裝備不完善、產品性能不穩定、生產成本高、低水平重復建設、高端品種產業化水平低、下游應用開發嚴重不足等突出問題。若不能盡快突破瓶頸,我國碳纖維產業極可能在國際碳纖維巨頭的凌厲攻勢下潰不成軍。

  然而,這一切在2016年被終結了。3月6日,黑龍江省重大科技攻關項目“T700級碳纖維中試生產線及工藝研究”通過國家有關專家組鑒定,這條以原始創新為核心的生產線具有完全自主知識產權。

  從概念引進到技術引進,再到國產化嘗試,最后突破壁壘逐步代替進口……細看之下碳纖維走過的道路與當前風頭正盛的石墨烯如此相似。兩大材料初出茅廬之時就都被加冕為“新材料之王”,而兩大材料的特性又極為近似,未來關于這兩大材料間的大戰似乎不可避免,那么究竟誰才是新材料之王?

  來源:本是“同根生”

  其實,碳纖維與石墨烯頗有淵源,就連出場的“噱頭”都極為相似。

  “既堅如磐石,又韌如發絲,它是自古以來人類在材料領域孜孜以求的品質。一卷卷如布匹般的黑色編織物如同從新材料中一躍而起的‘黑馬’,碳纖維不僅兼顧柔中帶剛的特性,還具有不怕強酸腐蝕、耐超高溫、具有導電導熱性和電磁屏蔽性等諸多閃光點”這是媒體對碳纖維的描述。而對于新一代材料石墨烯,媒體也毫不吝嗇溢美之詞,稱其“生而不凡”,是目前發現的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,被稱為“黑金”,是“新材料之王”,科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。

  除了炒作的噱頭外,碳纖維與石墨烯源于“同根”。簡單來講,碳纖維和石墨稀互為同素異形體,兩者是都由碳原子構成的單質,但碳原子的排列方式不同。

  碳纖維,顧名思義,它不僅具有碳材料的固有本征特性,又兼具紡織纖維的柔軟可加工性,是新一代增強纖維。與傳統的玻璃纖維(GF)相比,楊氏模量是其3倍多;它與凱芙拉纖維(KF-49)相比,不僅楊氏模量是其2倍左右,而且在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性出類拔萃。碳纖維的微觀結構使其具有許多優良性能,在保持密度低的前提下,獲得很大的軸向強度和楊氏模量。同時,碳纖維具有很好的耐超高溫性、耐疲勞性和耐腐蝕性,以及良好的導電導熱性能。這些優良的特性,是保證其在各領域中得到應用的前提。有學者在1981年將PAN基碳纖維浸泡在強堿NaOH溶液中,時間已過去30多年,它至今仍保持纖維形態。

  石墨烯是一種二維晶體,最大的特性是其電子的運動速度達到了光速的1/300,遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子,或更準確地,應稱為“載荷子”(electricchargecarrier)的性質和盡對論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的,石墨的層間作用力較弱,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后,這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

  相對于石墨烯,碳纖維的研究和使用有很長的歷史,在市場應用方面也相對成熟,但其加工方式、結構、性能有很大的局限性。石墨烯自2004年被發現以來,由于其極強的易用性和可拓展性,在全球備受關注,被譽為21世紀的黑金。在紡織物的應用領域,二者各有千秋。曼徹斯特大學石墨烯研究員宋亞斌先生表示,在制備工藝方面,石墨烯取材于石墨礦產,通過其獨特的濕法紡絲技術等形成連續生產的工藝,相對于碳纖維可以更高效的用于紡織工業。

  成長:“前后相隨”的怪圈

  大到航天飛機,小到高端腕表,碳纖維與石墨烯從出生開始就在各個領域創造嘆為觀止的“奇跡”。這也造就了兩種材料相同的成長路徑。

  中國對碳纖維的研究開始于20世紀60年代,80年代開始研究高強型碳纖維。多年來進展緩慢,但也取得了一定成績。21世紀以來發展較快,安徽率先引進了500噸每年原絲、200噸每年PAN基碳纖維,使中國碳纖維工業進入了產業化。隨后一些地方相繼加入碳纖維生產行列。

  從2000年開始中國碳纖維向技術多元化發展,放棄了原來的硝酸法原絲制造技術,采用以二甲基亞砜為溶劑的一步法濕法紡絲技術并獲得成功。利用自主技術研制的少數國產T700碳纖維產品已經達到國際同類產品水平。隨著中國對碳纖維的需求量日益增長,碳纖維已被列為國家化纖行業重點扶持對象。2005年全球碳纖維市場僅為9億美元,而2013年達到100億美元,預計到2022年有望達到400億美元,碳纖維復合材料的應用也將進入全新的時代。中國碳纖維產業化采取自主開發和引進相結合的道路,到“十一五”末期基本實現了相當于日本T300的國產碳纖維規模生產線,并且有一些企業已形成了T700以上水平的百噸生產線。

  然而,受供應不足的影響,國內碳纖維市場發展相對較為緩慢。近幾年,隨著供應量的提升,中國碳纖維行業的需求量也將保持著較快速度的增長。

  即便是目前國內部分研發機構、大型企業集團已經開始逐步掌握了高端碳纖維的制備工藝,但技術普及需要很長的時間,現階段整體技術的落后導致中國碳纖維產品質量與進口產品之間差距明顯,這也極大地限制了國產碳纖維產品在高端領域的應用。有數據顯示,中國碳纖維產品在應用上集中于低端領域,在碳纖維質量要求較高的航空航天領域的應用比例僅為3%,遠遠沒達到國際上碳纖維行業在航空航天領域應用占比的平均水平;而在質量要求相對較低的運動休閑用品領域,碳纖維的應用比例卻高達80%左右,國內碳纖維在運動休閑用品領域應用超出國際平均水平四倍多。

  相對于碳纖維,中國石墨烯近年來經過了階段性的“瘋狂生長”后,正面臨著第一場生死考驗。

  由于石墨烯極有可能掀起一場席卷全球的新技術新產業革命。近三年里,中國政府陸續出臺了多項支持政策,而資本市場更是推波助瀾,將石墨烯推上了一個個新的高潮。但業內人士紛紛表示了他們的擔憂:如今石墨烯應用產品低端化、同質化、以及過度炒作等問題日益嚴重,行業第一輪“大洗牌”已經隱現,未來三年內,至少半數以上企業可能將被淘汰出局。

  應用:“一時瑜亮”誰能稱王?

  漢晉時期,巴丘湖(今洞庭湖)畔,東吳四英之首周瑜,彈罷長河吟,高呼“既生瑜何生亮”便撒手人寰,后稱才能相匹敵者為“瑜亮”。這無意中道出了碳纖維與石墨烯的關系。

  以兩大材料相對集中的智能服裝產業為例。隨著眾多智能穿戴設備市場的快速發展,近兩年來,智能服裝逐步開始走入大眾生活,智能服裝順理成章的成為很多傳統服裝企業發力點,一大批具有前瞻性的傳統服裝制造企業、創新型科技公司紛紛聯合高校、研發機構等對智能服裝投入了大量研究。

  區別于傳統服裝,智能服裝實屬一個跨界的產品,需要結合科技、電子、通信、互聯網、醫學、材料學、紡織工藝、服裝設計、服裝制造等多個行業技術。這其中,新材料的研發與應用無疑是推動智能服裝產業發展的關鍵環節。在新材料方面,由于加熱理療的廣大市場需求,以石墨烯和碳纖維引領的含有加熱理療功能的智能服裝成為眾多服裝企業和科技類企業主攻的破局點。

  針對于目前智能服裝市場使用最為廣泛的兩種加熱理療類新材料,記者走訪了眾多專家和研究院,對石墨烯和碳纖維進行了詳細的對比。

  相對于石墨烯,碳纖維的研究和使用有很長的歷史,在市場應用方面也相對成熟,但其加工方式、結構、性能有很大的局限性。石墨烯自2004年被發現以來,由于其極強的易用性和可拓展性,在全球備受關注,被譽為21世紀的黑金。在紡織物的應用領域,二者各有千秋。據曼徹斯特大學石墨烯研究員宋亞斌先生表示,在制備工藝方面,石墨烯取材于石墨礦產,通過其獨特的濕法紡絲技術等形成連續生產的工藝,相對于碳纖維可以更高效的用于紡織工業。

  其次,在結構性能方面,碳纖維由片狀的石墨微晶不規則地堆砌而成,這種結構對于孔隙率的控制極為嚴格,導致碳纖維的力學性能下降,且該結構造成碳纖維在徑向的韌性較差,很容易在彎折時發生斷裂;而石墨烯纖維中石墨烯片層結構在纖維軸向上高度取向,且橫向晶體的尺寸遠遠大于傳統碳纖維的橫向晶體尺寸,使其具有很好的柔韌性,甚至可以在扭曲打結的狀態下不斷裂,這使得石墨烯纖維在高端紡織工業有著巨大的優勢。

  在新材料領域,碳纖維的最大的特點是“貴“,石墨烯的特點則是“更貴”。總體來說石墨烯在紡織物應用方面具備很大的優勢,但在價格方面要比碳纖維材料高出不少,可以說,石墨烯纖維的橫空出世為改善碳纖維應用中存在的問題帶來了希望。據了解,2015年11月東華大學發現可在光熱刺激下“編輯”石墨烯形態,受控生產形態改變,使得石墨烯在智能可穿戴領域存在多種應用可能性。有很多中國服裝品牌已經在石墨烯輕應用方面投入重金,以更快速地將研發成果投入產業化應用。石墨烯材料的研究與應用將瓦解現有產品而引領新技術的發展,而隨著柔性顯示技術推進,其優質的特性在高端紡織工業和智能穿戴領域有著巨大的應用前景;最重要的是,石墨烯具有更優異的強度和更強大的電學、熱學性能,可在輕量級的電導體、織物超級電容器、智能生物傳感器以及智能加熱服等領域發揮作用。

  宇航及工業發展拉動碳纖維投資熱潮。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。碳纖維下游領域主要對應工業、消費品及宇航領域,需求占比分別為65%、20%和15%。隨著宇航領域及工業領域中的需求急劇增長,韓國、中國、印度等國家戰略性支持性政策引起碳纖維開發及投資熱。

  美國和日本長期占據碳纖維技術高點,國內碳纖維制備較為落后。就全球碳纖維產能來看,前五大碳纖維企業的市場占有率在60%以上,日本東麗產能占比18%,其主打產品是PAN基碳纖維及其預浸料等編織材料、復合材料;分國家來看,日企在小絲束碳纖維的市場份額達到49%,日美兩國在大絲束碳纖維上的市場份額可達到76%。國內在碳纖維制備上仍然落后,僅有T300級碳纖維達到國外同類產品水平,T700、T800以及M50J僅分別初在工業化生產、批量生產及突破關鍵研制技術的階段,但也出現了產能結構性過剩,高端碳纖維具備技術壁壘的問題。

  有人說,石墨烯與碳纖維將來必有一戰,這場大戰將出現在眾多領域中以及未來的市場競爭中。碳纖維對于中國新材料市場來說,一切都是以產業化和應用前提的,只有到了這個階段,人們才會真正的認識碳纖維,正視碳纖維與石墨烯之間的博弈,那也將是一段“驚心動魄”的故事。

責編:丁濤

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