本報記者 原詩萌
碳纖維等FRP在土木工程中的應(yīng)用，為我國碳纖維應(yīng)用的發(fā)展探索出一條新路徑，即依靠應(yīng)用端的發(fā)展，來帶動整個材料的產(chǎn)業(yè)化。
圖片來源：土木商易寶
在今年1月舉行的國家科技獎勵大會上，中冶建筑研究總院作為第一完成單位完成的“土木工程用高性能纖維復(fù)合材料制備及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”榮獲國家科技進(jìn)步獎二等獎。
據(jù)了解，高性能纖維復(fù)合材料（簡稱FRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐、可設(shè)計等優(yōu)點，可顯著提高土木工程結(jié)構(gòu)的性能，延長其使用壽命。而上述獎項的頒發(fā)，也讓作為高性能纖維復(fù)合材料之一的碳纖維，再次進(jìn)入人們關(guān)注的視野。
中冶建筑研究總院院長岳清瑞在近日舉行的一次學(xué)術(shù)交流會上指出，從我國碳纖維的應(yīng)用來看，航空領(lǐng)域市場尚未打開，能源領(lǐng)域尚未形成穩(wěn)定市場，體育休閑領(lǐng)域?qū)Τ杀疽蠛芨?。而在土木工程領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，國產(chǎn)碳纖維每年有40%用于結(jié)構(gòu)的加固和補(bǔ)強(qiáng)上，因此是重要的應(yīng)用方向。
發(fā)展困境
據(jù)相關(guān)市場研究機(jī)構(gòu)數(shù)字，2015年前，全球碳纖維市場需求將保持13%的增長，我國對碳纖維的需求增速則快于全球。預(yù)測到2015年，我國碳纖維總體需求將達(dá)1.6萬噸。
事實上，從研發(fā)角度看，我國碳纖維的起步并不晚。早在20世紀(jì)60年代，中科院長春應(yīng)化所便率先開始聚丙烯腈基碳纖維的研究，并于上世紀(jì)70年代初完成了連續(xù)化中試裝置。此后，中科院山西煤炭化學(xué)研究所、北京化工大學(xué)等也開始了相關(guān)研究。
產(chǎn)業(yè)化方面，進(jìn)入21世紀(jì)后，國產(chǎn)碳纖維發(fā)展開始加速，產(chǎn)能大幅提高。2012年，我國已有30多家企業(yè)從事碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)，建成產(chǎn)能已經(jīng)突破1萬噸。此外，國內(nèi)還有大量的在建和規(guī)劃建設(shè)的碳纖維生產(chǎn)線。
不過在賽迪方略總部經(jīng)濟(jì)研究中心總經(jīng)理冀志宏看來，國內(nèi)碳纖維項目遍地開花背后，也存在著不少問題。
首先是產(chǎn)能利用率低。雖然國內(nèi)的建成產(chǎn)能已經(jīng)突破1萬噸，但實際產(chǎn)量僅為2000噸左右，產(chǎn)能利用率僅有0.2%。而國際上大多數(shù)企業(yè)的產(chǎn)能利用率為0.7%~0.9%。
冀志宏指出，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)線產(chǎn)能利用率低，并不是因為下游市場需求不足，而是因為難以生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。
他進(jìn)一步指出，生產(chǎn)碳纖維工序復(fù)雜，從聚合、紡絲，到氧化、碳化、表面處理等，任何一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)出了問題，都可能影響碳纖維的性能。“國產(chǎn)原絲大多雜質(zhì)含量高、質(zhì)量穩(wěn)定性差、變異系數(shù)大，沒有好的原料，怎么生產(chǎn)出好的產(chǎn)品？”
其次，我國碳纖維在高端產(chǎn)品方面也有待突破。冀志宏指出，以占碳纖維產(chǎn)量90%以上的丙烯腈基碳纖維為例，在世界范圍內(nèi)，工業(yè)應(yīng)用和體育休閑的比例分別為75.7%和24.3%，而在中國，這個比例卻分別是20%和80%。
此外，冀志宏認(rèn)為，國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)缺乏完善、權(quán)威的評價體系，這也是制約國產(chǎn)碳纖維發(fā)展的原因之一。
尋找突破點
在上述背景下，雖然我國近年來碳纖維產(chǎn)能快速擴(kuò)張，但大多為相對低品質(zhì)的產(chǎn)品，與國外相比差距明顯，因此這種產(chǎn)能的擴(kuò)張，也在一定程度上加劇了碳纖維的結(jié)構(gòu)性過剩。
在岳清瑞看來，碳纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，有望改變上述局面。他指出，與航空、能源和體育休閑領(lǐng)域相比，碳纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用更具前景。
而岳清瑞也帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊與其他高校合作，對碳纖維在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了一系列的探索，并開發(fā)出板材、筋材、布材等產(chǎn)品。
同時，由于碳纖維的特點是強(qiáng)度較高，延伸性較差，岳清瑞和其團(tuán)隊便嘗試將碳纖維和其他纖維混合，增加材料的斷裂延伸率。
“混雜纖維可以充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)勢，揚(yáng)長避短，在提高結(jié)構(gòu)延伸性、耗能能力和變形恢復(fù)能力等方面有可能優(yōu)于單一品種的纖維，且降低成本。”岳清瑞說。
在岳清瑞看來，碳纖維等FRP的一個重要領(lǐng)域就是結(jié)構(gòu)加固和改造。比如，可以將纖維網(wǎng)格型材固定于混凝土構(gòu)件表面，然后噴射或手工鏝抹聚合物水泥砂漿與原有混凝土一體化，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力及耐久性。
碳纖維另一個重要應(yīng)用方向是海洋（海港）環(huán)境。當(dāng)前我國正著力開發(fā)海洋資源，將FRP和混凝土組合，則能有效解決開發(fā)過程中防止海水腐蝕這一重要問題。
以應(yīng)用帶動產(chǎn)業(yè)化
碳纖維等FRP在土木工程中的應(yīng)用，也為我國碳纖維應(yīng)用的發(fā)展探索出一條新路徑，即依靠應(yīng)用端的發(fā)展，來帶動整個材料的產(chǎn)業(yè)化。
“此次中冶建研總院的突破值得肯定，這不僅標(biāo)志著我國科技研發(fā)實力的大幅提升，還有助于帶動碳纖維產(chǎn)業(yè)科研攻關(guān)、設(shè)備制造等工作的有效開展。”中投顧問高級研究員賀在華對《中國科學(xué)報》記者指出。
事實上，我國發(fā)展碳纖維的思路也正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。“以前國家主要支持碳纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)，現(xiàn)在則更支持應(yīng)用的發(fā)展，希望把應(yīng)用領(lǐng)域做大之后，反過來促進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展。”岳清瑞說。
此外，碳纖維機(jī)器復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟也于2013年10月被科技部納入國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略試點聯(lián)盟。在2013年12月該聯(lián)盟舉行的第一屆理事會上，工信部高新司副司長胡世輝指出，聯(lián)盟要以提高國產(chǎn)碳纖維競爭力為己任，將市場需求作為指定行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要參考，以市場為導(dǎo)向，結(jié)合產(chǎn)學(xué)研力量，圍繞共性關(guān)鍵問題，組織全行業(yè)力量推動國產(chǎn)碳纖維行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。
冀志宏也充分強(qiáng)調(diào)了碳纖維產(chǎn)品與應(yīng)用的銜接。他指出，碳纖維上下游產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度非常緊密，比如要開發(fā)一個碳纖維下游的新產(chǎn)品，光靠碳纖維生產(chǎn)商很難完成。因此，政府要充分發(fā)揮協(xié)調(diào)配置能力，通過聯(lián)盟等行業(yè)組織，圍繞下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點，構(gòu)建產(chǎn)、學(xué)、研、用多方面協(xié)調(diào)發(fā)展的完整產(chǎn)業(yè)鏈。
賀在華則認(rèn)為，各項扶持政策亟須制定并落實到位。“土地、稅收、補(bǔ)貼、電價、科研等政策若能及時實施，企業(yè)進(jìn)行科研創(chuàng)新的積極性便會被調(diào)動起來。”
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