近年來，一批蓬勃發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，正在以勢如破竹的速度，成為構(gòu)筑現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系的新支柱。其中，作為先進(jìn)制造業(yè)的“底盤技術(shù)”，新材料是支撐高端裝備和重大工程不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。
據(jù)測算，今年1至9月，新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值超過5萬億元，保持兩位數(shù)增長。加速爆發(fā)的新材料，究竟“新”在何處?和傳統(tǒng)材料相比，又有怎樣的過人之處？
賽場上，它助力運(yùn)動員刷新紀(jì)錄;生活中，它讓輕裝上陣成為習(xí)慣;太空里，它向金屬材料發(fā)起凌厲沖擊。它，就是碳纖維。一束筷子粗細(xì)的T1000級碳纖維，足以拉動兩架C919國產(chǎn)大飛機(jī)。世界上具備碳纖維研發(fā)和規(guī)模化生產(chǎn)能力的國家屈指可數(shù)，中國便是其中之一。
中復(fù)神鷹碳纖維股份有限公司副總經(jīng)理 陳秋飛：5毫米寬的一束碳纖維，里面包含了12000根單絲。今年剛剛實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的T1100級的碳纖維和實(shí)驗(yàn)室的突破不一樣。只有批量穩(wěn)定化生產(chǎn)，質(zhì)量才穩(wěn)定，才可以滿足航空航天等大量工業(yè)化應(yīng)用的需求。
2021年，我國首次成為全球最大的碳纖維生產(chǎn)國;2022年，國產(chǎn)碳纖維用量首次超越進(jìn)口量。今年五月，全球單體最大年產(chǎn)2.5萬噸高性能碳纖維項(xiàng)目，在西寧全面投產(chǎn)。隨著國產(chǎn)化碳纖維大規(guī)模生產(chǎn)，曾經(jīng)被進(jìn)口限制推高的價(jià)格應(yīng)聲回落，受限于成本的需求大量釋放。
像滑雪場一樣開闊的一片區(qū)域，是一支海上風(fēng)電葉片的內(nèi)腔，這支葉片的長度達(dá)到了123米。而懸在空中的是正在吊裝的主梁，主要由碳纖維制造而成，主梁在葉片中的作用相當(dāng)于人的脊梁。
一支葉片的碳纖維用量大約在10噸左右，碳梁占風(fēng)機(jī)葉片重量的五分之一，成本則占到三分之一以上。
鋪在巨大的風(fēng)機(jī)葉片中，像海苔片一樣薄薄一層的碳梁，實(shí)際上最厚的地方是由十幾層的碳板組成。一塊重約一千克的碳板，其碳纖維含量達(dá)70%以上。今年以前，這家工廠一直使用進(jìn)口碳纖維，一塊碳板的價(jià)格在150元左右。工廠從今年開始使用國產(chǎn)碳纖維，成本下降了一半。
成本降低讓企業(yè)有了更多選擇，產(chǎn)品也有了更多可能。
中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司研發(fā)總監(jiān) 李成良：我們現(xiàn)在量產(chǎn)的120米級海上風(fēng)電葉片，是全球最長的海上風(fēng)電葉片，限制葉片長度進(jìn)一步增加的主要因素是重量�，F(xiàn)在葉片采用的是普通模量的碳纖維，如果采用更高性能的碳纖維，可以使葉片的重量進(jìn)一步減輕，葉片將來有可能做到更長。
對于日后碳纖維的供應(yīng)和價(jià)格，李成良從上游供應(yīng)商那里得到了信心。
即便風(fēng)電葉片已經(jīng)是碳纖維用量最大的行業(yè)之一，但目前碳纖維也只用在了海上風(fēng)電葉片的主梁上，李成良的團(tuán)隊(duì)正在計(jì)劃將更高性能的碳纖維用到更多關(guān)鍵部件中，并嘗試在陸地葉片上使用碳纖維，而陸地風(fēng)電葉片的市場規(guī)模，大約是海上的十倍。
用得起碳纖維的行業(yè)越來越多，用得上碳纖維的市場也在加速形成。在“雙碳”戰(zhàn)略的推動下，氫能作為未來國家能源體系的重要組成部分，吸引了一批未來產(chǎn)業(yè)的布局，儲運(yùn)就是亟待破解的難題。
纏繞碳纖維的儲氫瓶，用于加氫站之間的氫氣轉(zhuǎn)運(yùn)，相比傳統(tǒng)的儲氫鋼瓶，它中間包裹的這只鋼瓶內(nèi)膽的厚度可以從兩厘米下降到一厘米，在同樣重量的情況下可以多運(yùn)30%的氫氣。
用更輕便的容器，儲存更多的氫氣，是行業(yè)的發(fā)展方向，也是碳纖維可以大顯身手的地方。一條今年剛?cè)〉弥圃煸S可的產(chǎn)品批量生產(chǎn)線，目前正與車企聯(lián)合開發(fā)氫燃料電池乘用車所需的儲氫瓶。
一只63升的儲氫瓶，可以存下相當(dāng)于它體積500倍的氫氣，儲氫瓶內(nèi)壁則處于70兆帕的高壓狀態(tài)。
中材科技(蘇州)有限公司研發(fā)中心副主任 吉增香：70兆帕可以理解為在指甲蓋大小的面積上，要承受700公斤的重量。白色的是塑料內(nèi)膽，起到密封作用，整個(gè)70兆帕的強(qiáng)度完全是由黑色的碳纖維提供。
無論是從0到1的突破，還是從1到100的深耕，以碳纖維為代表的新材料，不斷通過技術(shù)創(chuàng)新，撬動產(chǎn)品升級，推動產(chǎn)業(yè)躍遷。
在基體材料從傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂向熱塑性樹脂轉(zhuǎn)化的今天，也涌現(xiàn)出了一大批民營企業(yè)的崛起，已經(jīng)在熱固性碳纖維零部件定制服務(wù)上“開足馬力”的智上新材料之所以敢先天下之舉而舉，是因?yàn)樯罡袠I(yè)多年，早已預(yù)知熱固性碳纖維產(chǎn)品在性能上不能完全滿足下游高端應(yīng)用需求，“新材料之王”也需要及時(shí)“提質(zhì)升級”。
這幾年，國內(nèi)制造業(yè)對低耗能、減排等目標(biāo)的大力追求也帶動了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用和發(fā)展。”智上新材料負(fù)責(zé)人告訴記者，該公司立足于連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂單向預(yù)浸帶原材料生產(chǎn)，開發(fā)了一系列衍生產(chǎn)品。
作為國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的企業(yè)，智上新材料科技有限公司在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PPS/PEEK等系列UD量產(chǎn)化基礎(chǔ)上，為多個(gè)行業(yè)提供相關(guān)的零部件定制服務(wù)，以多樣化、高品質(zhì)的零部件產(chǎn)品推進(jìn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在高端機(jī)械設(shè)備行業(yè)中的深入應(yīng)用。
集聚資源協(xié)同創(chuàng)新
我國新材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入發(fā)展新階段
作為新型材料領(lǐng)域的明星，碳纖維只是新材料飛速發(fā)展的一個(gè)縮影。數(shù)據(jù)顯示，2022年我國新材料產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值約6.8萬億元，比2012年增長了近6倍，年均復(fù)合增長率超過20%。
多項(xiàng)關(guān)鍵新材料取得突破性進(jìn)展的背后，離不開科技創(chuàng)新的力量，而新材料的發(fā)展，又進(jìn)一步支撐了新技術(shù)的進(jìn)步，加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力，新材料還將如何發(fā)力?
國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任、中國工程院院士干勇表示，一代材料決定一代技術(shù)，新材料是一個(gè)底盤技術(shù)，同時(shí)更是一個(gè)先行技術(shù)。近年來，正是在關(guān)鍵材料上的一個(gè)個(gè)突破，有力支撐了我國軌道交通、載人航天、能源工程、電子信息、生物技術(shù)等新一代技術(shù)的發(fā)展，并對上下游產(chǎn)業(yè)形成了有力推動。
國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任 中國工程院院士 干勇：新的鋼鐵材料，特種合金材料，我們建造了全世界最長的4.2萬公里的高鐵，還有新材料發(fā)展推動了我們的新能源汽車在全世界引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展。信息材料，特別是化合物半導(dǎo)體，我們已經(jīng)突破了很多。這些新材料的發(fā)展，對制造強(qiáng)國在高質(zhì)量發(fā)展中進(jìn)入高質(zhì)量階段，已經(jīng)打下了比較好的基礎(chǔ)。
目前，我國新材料產(chǎn)業(yè)面臨重大戰(zhàn)略需求，進(jìn)入發(fā)展關(guān)鍵窗口期。以納米材料、碳基材料、涂層材料、先進(jìn)纖維材料、第三代第四代半導(dǎo)體等先進(jìn)新材料為代表的關(guān)鍵核心領(lǐng)域，正成為全球未來競爭的焦點(diǎn)。
國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任 中國工程院院士 干勇：特別是在集成電路14納米、22納米以下甚至到7納米以下。這方面一些材料我們要跟上。在前沿材料的布局上，很重要的一種材料就是信息新材料。它支撐了國家整體的算力底座與未來人工智能時(shí)代的國力之爭�，F(xiàn)在量子通信、量子顯示、量子計(jì)算、量子檢測都在布局，包括未來6G材料，信息的存儲材料等。實(shí)際上對未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展也提供了基礎(chǔ)。
近年來，在新材料領(lǐng)域，全球競爭越來越激烈。干勇認(rèn)為，通過國家重大專項(xiàng)集聚創(chuàng)新資源，打造多主體、全鏈條、系統(tǒng)化的新材料體系，可以實(shí)現(xiàn)從材料大國向材料強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。目前，我國新材料領(lǐng)域的專業(yè)技能人才數(shù)量，位居世界第一。其中，中科院和工程院院士200多名，材料科技人才超過115萬人;新材料的全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室超過60個(gè);近期啟動的新材料重大專項(xiàng)逐步實(shí)施，這些都將成為全面推動我國新材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的支撐。
國家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專家咨詢委員會主任 中國工程院院士 干勇：形成若干長久、穩(wěn)定、高水平的研發(fā)平臺，去全面推動中國新材料向高端發(fā)展。在新質(zhì)生產(chǎn)力的新的階段下，新材料會進(jìn)入一個(gè)蓬勃發(fā)展的階段。而且有些材料由于需求巨大，通過超大市場拖動，發(fā)展速度會超越常規(guī)，自主國產(chǎn)化的材料品種越來越多，在高端材料上的突破能力就越來越強(qiáng)。
