中國碳纖維制造突破西方國家技術(shù)封鎖自主創(chuàng)新

2012年我國的鋼產(chǎn)量已經(jīng)達到了7.16億噸，產(chǎn)值超過3萬億元，只要把其中的超級鋼比例提高1%，其帶來的直接經(jīng)濟效益增量就會超過數(shù)十億元。

　　自重更輕而硬度更高，似乎是人們一直不懈追求的方向，針對這種需求，碳纖維和超級鋼的開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)成為國際上新材料領(lǐng)域和鋼鐵領(lǐng)域令人矚目的研究熱點。

　　既輕又堅固的新材料，似乎從未如此像今天這樣近距離的走進過我們的生活。

　　在剛剛過去的1月份，寶馬公司在中國推出了全新進口5系轎車，這款車最大看點之一，就是其超輕量級的碳纖維引擎蓋有效的降低了重量。 123456

　　去年，一家科技網(wǎng)站稱，蘋果正在打造一款神秘設(shè)備，而它要用到碳纖維材質(zhì)。消息稱，碳纖維材質(zhì)部件主要用于設(shè)備的外殼部分?；蛟S不久的將來，iPhone 6外殼由碳纖維材料打造也說不定。 內(nèi)容來自123456

　　以細晶粒、高強度、低成本、環(huán)境友好為特征的超級鋼，自本世紀初在寶鋼、鞍鋼、本鋼等實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)之后，在鋼鐵企業(yè)掀起一陣陣超級鋼旋風，各廠競相開發(fā)超級鋼板帶材、棒線材等產(chǎn)品，超級鋼產(chǎn)量由最初的幾千噸試制品迅速飆升到數(shù)千萬噸。超級鋼的技術(shù)思路已經(jīng)深入人心。目前，已由企業(yè)個別行動升級為行業(yè)規(guī)范和國家標準。 123456

　　超級鋼：挺起和平發(fā)展脊梁

copyright 123456

　　“30年后，將是‘超級鋼鐵’的時代。” 我國軋鋼領(lǐng)域的著名專家東北大學劉相華教授在接受科技日報采訪時，表達了自己對于超級鋼未來發(fā)展趨勢的預測。 123456

　　2012年，央視《創(chuàng)新中國》欄目報道，我國的微晶鋼(超級鋼)居于世界領(lǐng)先地位。超級鋼的特點是：低成本、高強韌性、環(huán)境友好、節(jié)省合金元素和有利于可持續(xù)發(fā)展，被視為鋼鐵領(lǐng)域的一次重大革命；我國是目前世界上唯一實現(xiàn)超級鋼的工業(yè)化生產(chǎn)的國家，其他國家的超級鋼尚未走出實驗室。 123456

　　劉相華表示，目前的鋼鐵材料還遠未達到強韌性的理論極限，“超級鋼鐵”研究還將繼續(xù)下去，這幾年我國陸續(xù)出現(xiàn)的第三代汽車鋼、高品質(zhì)特殊鋼等就是例證。

內(nèi)容來自123456

　　超級鋼發(fā)展的另一個著眼點是廢鋼的再利用，30年后我國將有更多的鋼鐵陸續(xù)退出服役期成為廢鋼，廢鋼的循環(huán)利用比用鐵礦石煉鋼簡單廉價，到那時超級鋼因其成分簡單而發(fā)揮出無可比擬的優(yōu)勢。

　　據(jù)劉相華介紹，2012年我國的鋼產(chǎn)量已經(jīng)達到了7.16億噸，產(chǎn)值超過3萬億元，只要把其中的超級鋼比例提高1%，其帶來的直接經(jīng)濟效益增量就會超過數(shù)十億元。 123456

　　劉相華說，開發(fā)超級鋼的歷程可以追溯到1998年，那時我國鋼產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一，但是品種質(zhì)量與國外差距很大?？萍疾糠謩e在1998年和2001年啟動了973計劃：《新一代鋼鐵材料研究》和863計劃：《500MPa碳素鋼先進制造技術(shù)》。在這兩個重大項目的支持下，東北大學與寶鋼、一汽等企業(yè)合作，2002年成功地實現(xiàn)了超級鋼的工業(yè)生產(chǎn)并用于汽車制造，這標志著我國超級鋼開發(fā)應(yīng)用走到國際前列。

內(nèi)容來自123456

　　在這兩個重大項目結(jié)題之后，作為國家層面的超級鋼開發(fā)整體上告一段落，超級鋼的思想已經(jīng)深入人心，作為超級鋼標志性成果的一系列技術(shù)措施在全國遍地開花。

　　“開發(fā)超級鋼過程中形成的技術(shù)思路，十多年來一直影響著鋼材品種開發(fā)和質(zhì)量提升的發(fā)展趨勢。” 劉相華說道。

　　近年來已經(jīng)把超級鋼低成本、高強度的思想升級為低成本、高性能。除了強度這個重要的指標之外，在經(jīng)歷一系列破壞性地震、海嘯等重大自然災害之后，人們更加關(guān)注鋼材的屈強比、抗震性、耐火性等關(guān)乎人類生命安全的鋼材技術(shù)指標。“超級鋼的技術(shù)指標體系中，不再是‘強度’一枝獨秀，而是強度、塑性、韌性以及抗震性和耐火性等使用性能全面提升。” 劉相華說。 copyright 123456

　　隨著我國超過美國成為汽車產(chǎn)量第一大國，汽車用鋼品種質(zhì)量發(fā)展迅速。劉相華介紹，汽車用鋼的主導產(chǎn)品的強度等級正在由200—400MPa向500—800MPa的方向發(fā)展，個別部件甚至超過了1000MPa。低成本、高性能的技術(shù)路線，取得成功。 123456

　　貫穿超級鋼開發(fā)中低成本、高性能的思想，不僅可用于提升材料內(nèi)部的性能，也可以外延用于優(yōu)化鋼材的形狀尺寸。這方面，劉相華教授領(lǐng)導的東北大學差厚板課題組近幾年在變厚度軋制方面的科研實踐取得了成效。

本文來自123

　　據(jù)統(tǒng)計，差厚板用于汽車制造減重效果可達10—40%。劉相華表示，令人興奮的是，今年3月7日上海汽車集團召開了“連續(xù)差厚板自主技術(shù)國內(nèi)首次成功量產(chǎn)應(yīng)用總結(jié)會”，標志著變厚度軋制技術(shù)已經(jīng)由實驗室進入大生產(chǎn)。給超級鋼產(chǎn)品插上變厚度的翅膀，將開辟出鋼材節(jié)能減排的一片新天地。 copyright 123456

　　碳纖維：沖出技術(shù)封鎖重圍 copyright 123456

　　中國用聚丙烯腈為原料生產(chǎn)碳纖維的研究始于1962年，起步可謂不晚，但長期未取得實質(zhì)性進展。國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會副秘書長李克健在接受采訪時曾表示，由于碳纖維在航空航天等國防工業(yè)中有重要用途，西方國家將其視為軍用物資，對中國“禁運”，更不轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)技術(shù)。

　　去年9月，中科院寧波材料所把一輛碳纖維小汽車開進了人才科技周的高新技術(shù)成果交易洽談會賺足了眼球，亮點主要在其外殼上：在普通材質(zhì)的汽車引擎蓋上，榔頭用力敲擊，漆蓋上很有可能會有凹陷，而這輛車的車殼卻非常堅固，用力敲擊車蓋后會迅猛反彈，表面絲毫未損。伴隨著這次亮相，徹底顛覆了纖維一詞在人們腦海中的柔弱印象。

　　“這種碳纖維復合材料做的車，比起普通用鋼材制造的汽車，它的最大特點是輕和快。”中科院寧波材料所的趙曉光介紹說，這輛車拋棄了傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)，大量采用彈纖維材料制成，比普通鋼材的汽車重量能減少60%。在同樣用油情況下，這輛車每小時可以多開50公里。 123456

　　體重減輕了，安全性如何？機械科學研究院復合材料專家陳長年介紹到，雖然碳纖維看起來像塑料，但實際上這種材料抗沖擊性比鋼鐵強，特別是用碳纖維做成的方向盤，機械強度和抗沖性相比大大提高。在復合材料的“武裝”下，這輛小車反倒成了家用車中的“裝甲車”。據(jù)陳長年透露，現(xiàn)在這種碳纖維材料已經(jīng)在高速列車的裙擺上應(yīng)用。

　　碳纖維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(tǒng)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。有學者在1981年將PAN基CF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(tài)。 copyright 123456

　　陳長年說，碳纖維可加工成織物、氈、席、帶、紙及其他材料。傳統(tǒng)使用中碳纖維除用作絕熱保溫材料外，一般不單獨使用，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復合材料。碳纖維增強的復合材料可用作飛機結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及用于制造火箭外殼、機動船、工業(yè)機器人、汽車板簧和驅(qū)動軸等。 copyright 123456

　　■碳纖維的故事

　　師昌緒，80歲接過“燙手山芋”

　　1975年，國防科工委召開了一次專題會議，部署國內(nèi)碳纖維研究工作，并制定了10年發(fā)展規(guī)劃。1978年，國家科委恢復，碳纖維轉(zhuǎn)由科委為主管理，新材料處把碳纖維視為重中之重，花費大量精力和經(jīng)費，碳纖維質(zhì)量雖有所提高，卻一直難以有大的突破。一連串的失利嚴重挫傷了各方面的信心，國家各部門在20世紀后期的10多年內(nèi)都不愿或不敢大量投資，使碳纖維研發(fā)成為一塊令人望而生畏的“燙手山芋”。 123456

　　直到2000年初，我國著名的物理冶金學家、材料科學家?guī)煵w找到了李克健說：“中國的碳纖維上不去，影響國防科技和高新技術(shù)發(fā)展，關(guān)系到國家安全，不搞上去不行。我已近80歲了，80歲以后要少管點事，但想抓一抓碳纖維。” 123456

　　師昌緒的意見得到當時科技部高新司副司長石定寰、材料處處長馬燕合、“863”計劃新材料領(lǐng)域首席科學家石力開等人的支持，決定在“863”新材料領(lǐng)域立軟課題“聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展對策研究”，成立以師昌緒為組長的軟課題組。 本文來自123

　　2001年10月，科技部決定設(shè)立碳纖維專項，當年11月成立了專家小組。2002年2月26日科技部高新司召開“863”計劃新材料領(lǐng)域“十五”安排通氣會，師先生針對碳纖維專項再次提出：一是目標要明確，二是組織形式要創(chuàng)新，要推行聯(lián)合，不能有門戶之見，不能形成“瓜分體制”，支持建設(shè)高水平的分析測試平臺，支持建立公平、公正、高透明的取樣評價體系。

　　2002年3月9日，專家組在太原開會，最后修改審定“‘十五’戰(zhàn)略目標”，并按此對戰(zhàn)略目標作了若干重要修改。

123456

　　2003年1月17日，國家自然科學基金委員會批準碳纖維領(lǐng)域兩個重點項目，由“宏觀調(diào)控經(jīng)費”資助。2005年碳纖維項目被批準為國家重大基礎(chǔ)研究項目，獲得了寶貴的基礎(chǔ)研究經(jīng)費。

　　當我國碳纖維技術(shù)取得進展，產(chǎn)業(yè)化起步后，師昌緒立即把國產(chǎn)碳纖維應(yīng)用提上日程，努力支持開展相關(guān)應(yīng)用研究，并為此爭取專項經(jīng)費，取得重要成績。 123456

　　國產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)即將取得突破。李克健說，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)化采取自主開發(fā)和引進相結(jié)合的道路已初見成效，到“十一五”末期基本實現(xiàn)了相當于日本T300的國產(chǎn)碳纖維規(guī)模生產(chǎn)線，并且有一些企業(yè)已形成了T700以上水平的百噸生產(chǎn)線、中國碳纖維產(chǎn)業(yè)已經(jīng)從重重封鎖及圍追堵截中找到突破點！

123456

　　■創(chuàng)新驅(qū)動

　　超級鋼：為大橋減重讓汽車省油 內(nèi)容來自123456

　　建筑行業(yè)，我國新修訂的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范將屈服強度為400MPa級鋼筋作為主導受力鋼筋，500MPa級已經(jīng)開始應(yīng)用，我國混凝土用鋼水平落后的局面將得到扭轉(zhuǎn)。超級鋼棒線材解決了強屈比、時效性等問題，通過軋制及冷卻工藝制度的優(yōu)化來減少使用微合金元素，降低生產(chǎn)成本，其市場潛力巨大。

123456

　　利用超級鋼熱軋帶鋼產(chǎn)品減重節(jié)材，已有很多成功的實例，如寶鋼梅山超級鋼板卷、鋼管研究開發(fā)成功，用6mm超級鋼鋼管替代8mm厚度低合金鋼管，抗撞擊性能大大優(yōu)于普通的結(jié)構(gòu)鋼，并且直接應(yīng)用于國家重點工程上海東海大橋，鋼板減薄后，降低了大橋整體自重，經(jīng)濟效益和社會效益都相當可觀。超級鋼用于汽車減重，經(jīng)濟效益更加明顯。縱梁是卡車的關(guān)鍵承重部件，將500MPa級超級鋼用于卡車縱梁，可大幅度減輕車身自重，取得了鋼材生產(chǎn)廠和用戶雙贏的效果。普碳鋼品種的升級換代，帶動了汽車行業(yè)的技術(shù)進步。

copyright 123456

　　超級鋼中厚板多用于造船、建筑、橋梁等行業(yè)，來替代傳統(tǒng)的普通板材具有良好的前景。高強度船板可以減輕船體重量，增加載貨量；低成本、高性能橋梁板有利于橋梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，使橋梁更加堅固耐用。在這里，超級鋼大有用武之地。

　　超級鋼已經(jīng)滲透到我們身邊的各個領(lǐng)域，在節(jié)約型社會中扮演著節(jié)能減排的重要角色。 本文來自123

　　碳纖維： 給體育換器材為航天配裝備

內(nèi)容來自123456

　　碳纖維和人們生活的距離已經(jīng)十分密切，最為我們熟知的就是一些體育用品器材。傳統(tǒng)的體育用品大多采用木材及其復合材料制品。但是碳纖維增強復合材料的力學性能比木材高得多，它的比強度和比模量分別是杉木的4倍和3倍，是梧桐木的3.4倍和4.4倍。因此，它在體育用品方面得到了廣泛的應(yīng)用。在文體用品方面，碳纖維增強復合材料主要用在以下幾個方面： 高爾夫球棒，釣魚竿，網(wǎng)球拍，羽毛球拍，賽車，滑雪板，車架等。此外，碳纖維增強復合材料在體育用品方面還可以制造動力雪撬用的彈簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、賽艇、賽艇槳、帆船桅桿、摩托車零件、登山用品以及滑翔機、人力飛機等。 本文來自123

　　世界碳纖維的消費結(jié)構(gòu)集中在工業(yè)應(yīng)用、航天航空和體育休閑三個方面，目前工業(yè)應(yīng)用約占總消費量的58%；航空航天方面應(yīng)用約占23%，體育運動器材應(yīng)用約占19%。1991—2009年，碳纖維在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的消耗是持續(xù)增長的，航空航天領(lǐng)域基本保持平衡，而體育用品在碳纖維應(yīng)用的比例則持續(xù)下降，碳纖維應(yīng)用逐漸從航空航天、體育用品向民用工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)移，特別是隨著大絲束碳纖維的大規(guī)模生產(chǎn)，其價格將不斷降低，民用工業(yè)用量將繼續(xù)保持大幅度增加的趨勢。 123,123

　　國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會副秘書長李克健表示，碳纖維品種很多，我國目前只是做出了幾個最基本同時也是用量最大的品種，許多很有發(fā)展?jié)摿Φ钠贩N仍還在努力階段。

　　從國內(nèi)碳纖維需求結(jié)構(gòu)看，體育休閑領(lǐng)域碳纖維的需求仍占據(jù)中國碳纖維需求的首位，但其年增長率呈下降趨勢，表明2005年后體育休閑對碳纖維的需求基本上達到飽和。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求呈現(xiàn)了較快的增長趨勢，2010年對碳纖維的需求量達到1900t/a(噸/年)，是2003年需求量的9.5倍。航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求也較快，2010年對碳纖維的需求量達250t/a，是2003年需求量的4.2倍。2003—2010年中國碳纖維需求總量呈持續(xù)增長趨勢。 123456

　　李克健認為國內(nèi)新材料產(chǎn)業(yè)目前還比較薄弱，我國的潛在市場巨大，但現(xiàn)實市場卻尚存不足。

　　2012年5月，國務(wù)院通過《“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，新材料產(chǎn)業(yè)被列入其中。作為高性能纖維材料及復合功能材料用料，碳纖維將獲得更多的政策扶持，為經(jīng)濟社會發(fā)展做出更大貢獻。

　　■專家展望 內(nèi)容來自123456

　　超級鋼開發(fā)應(yīng)用是近年來國際上鋼鐵領(lǐng)域令人矚目的研究熱點。據(jù)東北大學劉相華教授表示，美國、日本、韓國、歐洲等國外的超級鋼開發(fā)項目，雖然做了大量實驗室研究和理論研究，但尚未見工業(yè)應(yīng)用報道。我國在超級鋼開發(fā)和應(yīng)用這一輪國際競爭中走到了前面。超級鋼產(chǎn)品已應(yīng)用于汽車、建筑等各個行業(yè)，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化目標，在鋼鐵產(chǎn)品節(jié)能減排中發(fā)揮了重要作用。

　　隨著近年來建設(shè)部把III級鋼筋作為主力鋼筋的產(chǎn)業(yè)政策出臺，細晶粒超級鋼棒線材的產(chǎn)量近幾年大幅度增長，用400—500MPa的鋼筋取代普通的200—300MPa級鋼筋的過程進展迅速，預計到2015年，我國高強度鋼筋產(chǎn)量比例將達到80%。其中三分之一按照超級鋼的思路組織生產(chǎn)，其產(chǎn)量將超過3000萬噸。在經(jīng)濟高速發(fā)展大背景下，建筑業(yè)的繁榮為超級鋼棒線材提供廣闊的市場，低成本、高強度的超級鋼棒線材也將為建筑業(yè)提供有力的支撐。

123456

　　超級鋼在其他行業(yè)中也有廣闊的應(yīng)用前景。過去依靠添加微合金元素來改善性能的船板鋼、橋梁鋼、容器板等，均可通過細化晶粒來提高強度，改善韌性，提高使用性能。借助于開發(fā)超級鋼的思路來節(jié)省微合金元素，降低成本，增強產(chǎn)品的市場競爭能力，已經(jīng)成為鋼鐵生產(chǎn)者的自覺行動。 內(nèi)容來自123456

　　超級鋼開發(fā)成功，已經(jīng)對我國鋼材品種更新?lián)Q代產(chǎn)生重要影響，具備超級鋼特征的低成本、高性能、細晶粒新一代鋼種系列，已經(jīng)開始逐漸取代陳舊的鋼號標準，超級鋼作為里程碑式的標志，載入了我國鋼鐵產(chǎn)品開發(fā)的史冊。 123,123

　　未來十年中國碳纖維材料將高度發(fā)展

　　國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會副秘書長李克健教授預測未來十年是中國碳纖維材料高度發(fā)展的十年。力學性能優(yōu)良的復合增強基材，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。碳纖維具有出色的力學性能和化學穩(wěn)定性，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維。此外，碳纖維還兼有其他多種優(yōu)良性能，如低密度、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱導性高、熱膨脹系數(shù)低、X光穿透性高，非磁體但有電磁屏蔽性等。多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，構(gòu)成復合材料。從這個意義上已預示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。 123,123

　　在世界碳纖維格局方面，發(fā)達國家產(chǎn)業(yè)成熟，行業(yè)集中度高。世界碳纖維的生產(chǎn)主要集中在日本、英國、美國、法國、韓國等少數(shù)發(fā)達國家和我國的臺灣省，日本的三家企業(yè)就占據(jù)了世界78%左右的產(chǎn)量。發(fā)達國家的碳纖維行業(yè)已逐步走向成熟。截至2008年，主要的碳纖維生產(chǎn)廠商大、小絲束產(chǎn)能共計64200噸。 本文來自123

　　但李克健同時也指出，現(xiàn)在的碳纖維市場投資具有盲目性，國營、民營都在做，導致了嚴重的低水平重復。甚至有的打著“新材料產(chǎn)業(yè)”的旗號，將碳纖維的生產(chǎn)當作一項政績工程，只考慮招商引資，根本不顧新材料產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展的大局。這其實造成很大的資金浪費。

本文來自123