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【新材料●产业】低成本、高性能国产碳纳米管纤维问世, “黑色黄金”碳纤维有望不再受制于人!

新材料产业】低成本高性能国产碳纳米纤维问世, 色黄碳纤维有望不再受制于人!

2017-03-3 人大人科创 Paul

导言:

作为军民两用新材料,碳纤维被誉为21世纪的黑色黄金,然而,其制备关键技术被美日等发达国家长期垄断,无论研发还是产业,我国长期处于跟随的尴尬境地。近日,烯湾科技宣布其研发出的碳纳米纤维不仅在性能上超越已有的高性能碳纤维,而且其制备成本将远低于传统碳纤维,有望大规模取代碳纤维,助力我国在这一领域实现弯道超车

 烯湾科技研发团队带头人、首席科学家邓飞博士(中)和研发团队成员查看实验样品。 电子显微镜下的烯湾碳纳米管纤维。 烯湾科技碳纳米管簇。图邓飞在显微镜下操作。

碳纤维——新材料中的重中之重

相较普通纤维,碳纤维是由有机固体高分子纤维在10003000的高温、惰性气体环境下,高温分解、石墨化而成的含碳量90%以上的纤维。其力学、化学、电学等性能优异,是国民经济与国防建设不可缺少的战略性新兴材料。碳纤维分PAN基碳纤维、粘胶基碳纤维和沥青基碳纤维。目前全球碳纤维工业化产品以PAN基碳纤维为主,占全球碳纤维总产量的 90%以上

从企业角度看,目前全球碳纤维制造的主导者是日本东丽、东邦、三菱丽阳,美国 HEXCEL CYTEC 公司和德国SGL公司,碳纤维行业集中度极高。

从产品角度看,日前,日本东丽透露正在研究T2000 级别碳纤维,强度可以达到60GPa,是T1000 级碳纤维强度的十倍。T2000 碳纤维在聚合过程中不使用引发剂,利用辐照引发聚合,可以避免杂质的掺入,而这一点国内几乎没有深入研究。日本东丽目前能将碳纤维CV 值降低至0.1,而我们国内碳纤维的CV值在5 左右。

国内的T300 系列基本可以达到国际水平,军工应用领域较为成熟,民用市场逐渐开拓。T700 级高性能碳纤维突破了干喷湿纺工艺, 产业化生产及应用逐步加快。T800 级碳纤维已经小批量试产,但还尚未完全实现产业化。

从市场角度看,国际碳纤维市场依然为日本、美国所垄断。据相关数据显示,在小丝束碳纤维市场上,日本企业所占有的市场份额占到全球产能的49%;在大丝束碳纤维市场上,日美两国合计拥有全球76%的大丝束碳纤维生产能力,处于明显的主导地位。2015年,国内碳纤维的需求量是1.5万吨,其中,国外企业占据80%左右的市场,国产碳纤维自给率只有20%左右。

出于种种原因,我国碳纤维行业长期受到技术封锁和产品禁运以及价格打压。目前,国内企业只能生产低等级碳纤维,制造规模也很小,无法有效保证产品的一致性,成本居高不下。这导致在国产大飞机、战斗机、无人机等众多重大国防项目上,以及汽车、工业器械制造等领域中,先进复合材料的使用率和合格率距离国际先进水平仍有不小差距。截至目前,能够达到美国联邦航空局国际标准性能、可以在客机中大量使用的碳纤维生产技术,基本掌握在美国、日本的少数几家公司手中,而达到飞机使用最高标准等级的T800HT800S,几乎被日本东丽公司独家垄断。

打破国外垄断势在必行

为此,国务院2015年公布的《中国制造2025》十年行动纲领中,将碳纤维材料作为国防航空科技发展的重点研究对象,并对碳纤维材料的研发生产做出了部署规划。

烯湾科技能否碳纤维行业实现弯道超车

可喜的是,我国在碳纤维产业上的被动局面有望改变。海归创业团队烯湾科技在全球首个碳纳米管纤维量产项目启动仪式上表示,技术团队已经研发出可量产的碳纳米管纤维材料,不仅在性能上超越已有的高性能碳纤维,其制备成本也将远低于传统碳纤维。

烯湾科技研发团队带头人、首席科学家邓飞博士毕业于东京大学,研究方向即为下一代CFRP的纳米复合材料的研究。博士毕业后,邓飞在美国特拉华大学复合材料中心继续从事先进纳米复合材料的研究工作。特拉华大学复合材料中心作为当前碳纤维材料及先进复合材料的权威研发机构,具有世界顶尖的研发团队和科研技术,这让邓飞积累了坚实的技术储备,最终带领团队实现突破。

根据公开检索的情况,目前美国、日本、澳大利亚和韩国都有科研团队在做碳纳米纤维管的研究。然而,根据已经通过期刊公布的性能检测数据,在两个最关键的指标强度和杨氏模量上,烯湾科技的指标数据都遥遥领先,分别达到了3.25.05σ/Gpa120330E/Gpa,性能直逼目前最先进的T800HT800S碳纤维。

按照邓飞的设想,凡是需要碳纤维应用的领域,碳纳米管纤维都能够以更好的性能、更低的成本完成替代

尽管在外界看起来,这一目标颇为激进,邓飞却有着足够的信心。他的底气来自烯湾的核心技术和研发团队。

为早日实现对碳纤维全面替代的目标,邓飞组建了一支博士研发团队。团队成员均毕业于国外知名院校,不仅覆盖了该项目涉及的学科和方向,更拥有丰富的量产流程及自动化设备设计经验。目前,该团队已经取得多项专利,样品和生产设备试制进展顺利。

烯湾科技的三大自主核心技术包括:低成本高性能碳纳米管纤维研发,全球领先的碳纳米管可纺技术和自主专利生产工艺、全套自动化生产及检测核心设备。烯湾科技将以自主创新为驱动、核心技术为基础,开创中国碳纳米管纤维及复合材料行业未来,引领下一个万亿级市场。

除深圳总部外,烯湾科技在美国特拉华州纽瓦克、日本筑波和香港已经或即将设立分支机构,实现了产业热点区域全覆盖和全球化运营。

目前,烯湾科技已经获得由松禾资本领投的A轮千万级别的风险投资,研发成果及未来产业化前景受到业界和投资人的广泛关注和高度认可,被行业一致誉为“下一个独角兽”。


附背景知识:碳纳米管

不同类型的碳纳米管(©Wikimedia Commons

如图所示,碳纳米管是由单层石墨同轴缠绕成管(单壁碳纳米管)或由单壁碳纳米管沿同轴层层套构而成的管状物(多壁碳纳米管)。碳纳米管直径一般在一到几十纳米之间,长度则远大于其直径,具有许多超常的物理性能(力学、电学、热学)和化学性能,是一维碳纳米材料。作为人类迄今为止发现的力学性能最好材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂强度

碳纳米管纤维是把千千万万单根纳米管扭拧在一起的宏观纤维,具有轻质、高强、多功能性的特点,是新一代特种纤维材料,对高端科技发展具有重大战略意义。学界普遍认为,碳纳米管纤维作为下一代新型高强度纤维材料,可以应用于许多对材料强度要求较高的领域,特别是航空航天领域。

碳纳米管纤维被认为是构造太空天梯唯一可行材料。