作為軍民兩用新材料，碳纖維被譽為21世紀的“黑色黃金”，被我國列為國防航空科技發(fā)展的重點研究對象。然而，其制備關(guān)鍵技術(shù)被美國、日本等發(fā)達國家長期壟斷，我國長期處于跟隨的尷尬境地。
前不久，海歸創(chuàng)業(yè)團隊烯灣科技宣布，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、化學、電學等性能優(yōu)異，是國民經(jīng)濟與國防建設不可缺少的戰(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，長度則遠大于其直徑，具有許多超常的物理性能(力學、電學、熱學)和化學性能，是一維碳納米材料。作為人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學性能最好材料，碳納米管有著極高的拉伸強度、楊氏模量和斷裂應變。
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、多功能性的特點，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。學界普遍認為，碳納米管纖維作為下一代新型高強度纖維材料，可以應用于許多對材料強度要求較高的領域，特別是航空航天領域。
碳納米管纖維強化的先進納米復合材料具有質(zhì)量輕、強度高、彈性模量高的特點。同等強度下碳纖維復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合材料，其不僅在民用領域應用場景廣泛，對于武器裝備性能提升同樣貢獻巨大，已被廣泛用于制造航空器機體及發(fā)動機、導彈外殼等領域。
以航空航天用復合材料為例，隨著飛行器各項功能不斷提高和石油燃料價格不斷上漲，在航空飛機的主要結(jié)構(gòu)件上，碳纖維強化復合材料的比重越來越大，對材料的力學性能的要求也越來越高。
在高端汽車領域中，碳纖維復合材料的使用亦已形成趨勢。值得一提的是，碳纖維復合材料將輕量化與高強度、高安全性相結(jié)合，可以極大地提升駕駛體驗。如果將碳纖維復合材料應用擴展到普通汽車領域，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域，碳纖維復合材料還可用于風力發(fā)電、燃料電池、電池及超級電容器等新能源和民用器械領域。隨著下一代能源領域不斷拓展，民用碳纖維的需求比重將會越來越大。
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)品禁運以及價格打壓。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。這導致在國產(chǎn)大飛機、戰(zhàn)斗機、無人機等眾多重大國防項目上，以及汽車、工業(yè)器械制造等領域中，先進復合材料的使用率和合格率距離國際先進水平仍有不小差距。落后的材料加工技術(shù)嚴重制約了我國高端制造的發(fā)展。
記者了解到，截至目前，能夠達到美國聯(lián)邦航空局國際標準性能、可以在客機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，而達到飛機使用最高標準等級的T800H、T800S，幾乎被日本東麗公司獨家壟斷。
為此，國務院2015年公布的《中國制造2025》十年行動綱領中，將碳纖維材料作為國防航空科技發(fā)展的重點研究對象，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之父師昌緒曾公開坦言。
能否攪動百億美元市場
可喜的是，我國在碳纖維產(chǎn)業(yè)上的被動局面即將改變。海歸創(chuàng)業(yè)團隊烯灣科技在“全球首個碳納米管纖維量產(chǎn)項目”啟動儀式上表示，技術(shù)團隊已經(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，其制備成本也將遠低于傳統(tǒng)碳纖維。
烯灣科技研發(fā)團隊帶頭人、首席科學家鄧飛博士畢業(yè)于東京大學，研究方向即為“下一代CFRP的納米復合材料的研究”。博士畢業(yè)后，鄧飛在美國特拉華大學復合材料中心繼續(xù)從事先進納米復合材料的研究工作。特拉華大學復合材料中心作為當前碳纖維材料及先進復合材料的權(quán)威研發(fā)機構(gòu)，具有世界頂尖的研發(fā)團隊和科研技術(shù)，這讓鄧飛積累了堅實的技術(shù)儲備，最終帶領團隊實現(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隊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)，在兩個最關(guān)鍵的指標強度和楊氏模量上，烯灣科技的指標數(shù)據(jù)都遙遙領先，分別達到了3.2至5.05σ/Gpa和120至330E/Gpa，性能直逼目前最先進的T800H和T800S碳纖維。
據(jù)業(yè)內(nèi)雜志Reinforced Plastics測算，2015年，全球碳纖維復合材料的市場達290億美元。《2015—2020年中國碳纖維行業(yè)市場競爭趨勢及投資戰(zhàn)略分析報告》指出，預計到2020年，國內(nèi)碳纖維的需求將達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)模將達到128億美元。
按照鄧飛的設想，“凡是需要碳纖維應用的領域，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，這一目標頗為激進，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)團隊。
為早日實現(xiàn)對碳纖維全面替代的目標，鄧飛組建了一支博士研發(fā)團隊。團隊成員均畢業(yè)于國外知名院校，不僅覆蓋了該項目涉及的學科和方向，更擁有豐富的量產(chǎn)流程及自動化設備設計經(jīng)驗。目前，該團隊已經(jīng)取得多項專利，樣品和生產(chǎn)設備試制進展順利。
除核心團隊外，鄧飛的研究還得到了許多行業(yè)泰斗和資深學者的支持。在烯灣科技首個量產(chǎn)項目啟動儀式上，鄧飛在東京大學攻讀博士期間的導師，日本東京大學副校長、東京大學研究生院新領域創(chuàng)成科學研究科先進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)項目啟動。
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險投資，并在中國深圳、美國特拉華、日本以及中國香港同步運營。
