王煜

2018世界人工智能大會(huì)將在徐匯西岸舉行未來感十足的“城市家具”，通過機(jī)器人將玻璃纖維和碳纖維纏繞制成，不需要模具，降低了浪費(fèi)，彰顯了科技和藝術(shù)的結(jié)合 。

說起碳纖維，一般人對(duì)它既熟悉又陌生。熟悉的是，從筆記本電腦外殼到汽車零部件，再到飛機(jī)部件、航天設(shè)備，許多領(lǐng)域都可以看到它的身影。陌生則在于，碳纖維目前屬于“貴族產(chǎn)品”，還沒有全面進(jìn)入生活的各個(gè)領(lǐng)域，與大眾尚有距離。

實(shí)際上，以碳纖維為代表的新型復(fù)合材料承載著支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的重任。碳纖維的發(fā)展目標(biāo)，就是在未來的制造業(yè)中大規(guī)模取代金屬材料。它是如此重要，因而2020浦江創(chuàng)新論壇專設(shè)“碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”展開討論。

“未來大規(guī)模代替金屬材料”

碳纖維于20世紀(jì)70年代開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，當(dāng)時(shí)因?yàn)橹圃旃に嚥怀墒?、用量少?dǎo)致成本昂貴，主要應(yīng)用在軍工、航天等領(lǐng)域。近20年，碳纖維開始在全球制造業(yè)各行業(yè)運(yùn)用，未來最終的趨勢(shì)是大規(guī)模代替金屬材料。

碳纖維有著極其優(yōu)異的性能。用最簡(jiǎn)單的話來說，就是“輕質(zhì)高強(qiáng)”：比重只有鋼材的五分之一左右，但強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的5-7倍，同時(shí)還有鋼材無法比擬的抗腐蝕等特點(diǎn)。

之所以被人們寄予如此厚望，在于碳纖維有著極其優(yōu)異的性能。用最簡(jiǎn)單的話來說，就是“輕質(zhì)高強(qiáng)”：比重只有鋼材的五分之一左右，但強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材的5-7倍，同時(shí)還有鋼材無法比擬的抗腐蝕等特點(diǎn)。

國(guó)家“973”首席科學(xué)家、上海碳纖維復(fù)合材料創(chuàng)新研究院首席科學(xué)家、東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授余木火在接受《新民周刊》記者采訪時(shí)表示：碳纖維材料的優(yōu)勢(shì)在許多領(lǐng)域可以得到充分體現(xiàn)。

例如，減輕自身重量以降低油耗、減少排放、提高續(xù)航里程是人們對(duì)所有交通工具的要求，小到嬰兒推車、輪椅，大到輪船、飛機(jī)，再到人們正在研制中的在真空管道中飛馳的超高速列車，都是碳纖維的用武之地。

碳纖維重量輕，制造出來的零部件運(yùn)動(dòng)慣性小，從而速度快、精度高、噪音低、磨損小，這在所有存在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合都是明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，碳纖維比鋼材更耐腐蝕。要知道，全球有一半的機(jī)器壽命減少是因?yàn)椴牧媳桓g造成的。

金屬材料是當(dāng)今制造業(yè)的支柱，而碳纖維是目前人類發(fā)現(xiàn)的最適宜接下來代替金屬的材料，這一點(diǎn)已經(jīng)形成全球共識(shí)。它對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性不言而喻，因而在各國(guó)都被納入戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。

2013年10月，我國(guó)工業(yè)和信息化部發(fā)布了《加快推進(jìn)碳纖維行業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》;近年來，碳纖維復(fù)合材料研究多次被列入各級(jí)各地的科技重大專項(xiàng)。

把視角拉得更宏大一些，輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維也是建造探索宇宙所需航天設(shè)備的優(yōu)質(zhì)材料。航天器足夠輕，加速它就越容易，人類的觸角要探向更遠(yuǎn)的深空，碳纖維將給予強(qiáng)大的助力。

碳纖維產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展需要以下游的需求帶動(dòng)上游的研發(fā)生產(chǎn)，在余木火看來，上海在這兩端都具備優(yōu)勢(shì)。

東華大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海理工大學(xué)等高校都有較強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)，相關(guān)領(lǐng)域的多家國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也落戶在申城。海納百川的文化有吸引創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的基因，加上當(dāng)前全力打造全球科創(chuàng)中心的定位，上海在碳纖維研發(fā)人才領(lǐng)域儲(chǔ)備雄厚。

另一方面，上海云集了碳纖維生產(chǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域的許多大型央企。中石化擁有制造碳纖維的原材料，可以就近生產(chǎn);寶武鋼鐵集團(tuán)出于遠(yuǎn)期戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型需要，重視碳纖維的研發(fā);而商飛集團(tuán)、上汽集團(tuán)、江南造船廠、上海電氣等企業(yè)則對(duì)使用碳纖維材料有較多需求。

目前， 上海的碳纖維產(chǎn)業(yè)布局主要由金山區(qū)承擔(dān)。金山區(qū)內(nèi)上海石化已在碳纖維領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)十余年，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際領(lǐng)先的成套技術(shù)，并擁有年產(chǎn)2500 噸大絲束碳纖維產(chǎn)能，該產(chǎn)品是生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的重要原材料。新材料產(chǎn)業(yè)是金山區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的四大產(chǎn)業(yè)集群之一，已集聚一批碳纖維復(fù)合材料上下游產(chǎn)業(yè)資源。當(dāng)?shù)卣诮鹕蕉^(qū)打造“碳谷綠灣”園區(qū)，推動(dòng)該區(qū)域從化工產(chǎn)業(yè)向以碳纖維復(fù)合材料為代表的高端新材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

如何把碳纖維做好

余木火指出，當(dāng)前碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心問題是通過技術(shù)的突破和體制的創(chuàng)新，降低產(chǎn)品的成本。

目前，國(guó)際上優(yōu)質(zhì)的碳纖維產(chǎn)品還處于被日本企業(yè)壟斷的局面。中國(guó)國(guó)產(chǎn)碳纖維的不足并不是在強(qiáng)度的指標(biāo)上，而是產(chǎn)品的均勻性不夠。

好的碳纖維需要滿足以下條件：一根纖維應(yīng)該是均勻直徑、均勻物相，每一段纖維都與整根纖維一樣，強(qiáng)度在一定范圍內(nèi);在一根纖維上不同地方截取一段，它們的強(qiáng)度應(yīng)該比較均勻。同一束纖維由很多根纖維組成，這些纖維的強(qiáng)度也需要比較均勻。

“T+數(shù)字”是表示碳纖維強(qiáng)度的指標(biāo)，數(shù)字越大強(qiáng)度越高。如果標(biāo)稱T800強(qiáng)度的碳纖維產(chǎn)品中，有的纖維強(qiáng)度比T1000還高，有的還不如T500的話，這將嚴(yán)重影響到產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性，客戶不可能放心采用。

影響碳纖維產(chǎn)品均勻性的因素涵蓋從原材料開始到整個(gè)生產(chǎn)流程的工藝水平，這需要投入扎實(shí)的基礎(chǔ)科學(xué)研究來改進(jìn)。余木火表示，這正是當(dāng)下我國(guó)碳纖維研發(fā)領(lǐng)域的短板所在?！霸S多生產(chǎn)企業(yè)紛紛投入到具體的產(chǎn)品領(lǐng)域，但不愿意沉下心來支持搞基礎(chǔ)研究提升均勻性，只要有產(chǎn)品可以供應(yīng)市場(chǎng)就可以了。這種短期的逐利行為是不可能讓中國(guó)碳纖維的競(jìng)爭(zhēng)力得到提升的。”

碳纖維產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程和傳統(tǒng)的鋼材產(chǎn)品有很大的不同：后者是先生產(chǎn)出材料，再將材料制造成零部件。而碳纖維的零部件設(shè)計(jì)與成型是一體化的，從原材料的步驟就要開始進(jìn)行工藝的設(shè)計(jì);并且，每一款零部件的設(shè)計(jì)都不一樣。

“我們說碳纖維產(chǎn)品貴，其實(shí)現(xiàn)在不是貴在原材料上，而是貴在整個(gè)零部件制造?！庇嗄净鹫f，當(dāng)前在許多碳纖維應(yīng)用企業(yè)里存在一種現(xiàn)象，就是做零部件開發(fā)的和懂碳纖維的是兩撥人，他們之間沒有互相融合，結(jié)果在產(chǎn)品的研發(fā)過程中來來回回不斷調(diào)整，大大增加了整體的研發(fā)成本。他舉例說，某種應(yīng)用領(lǐng)域的碳纖維原材料價(jià)格在每公斤150元，可是成為碳纖維零件后，價(jià)格飆升到每公斤700-2000元，這其中很多成本是因?yàn)椴缓线m的設(shè)計(jì)與不合適的制造方法。

在他看來，我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要讓懂碳纖維的人才從一開始就融入，并且牢牢咬住某個(gè)碳纖維產(chǎn)品的細(xì)分領(lǐng)域持之以恒地鉆研數(shù)年，就很有希望做成“單打冠軍”“隱形冠軍”。以汽車零部件為例，傳動(dòng)軸、輪轂，新能源車的電池盒、儲(chǔ)氫罐等，任選一個(gè)都可以開展碳纖維產(chǎn)品的研發(fā)。在碳纖維產(chǎn)品領(lǐng)域，客戶驗(yàn)證某家供應(yīng)商材料的質(zhì)量所耗成本是巨大的。如果能率先在某個(gè)細(xì)分產(chǎn)品上做到行業(yè)領(lǐng)先水準(zhǔn)，那么這個(gè)團(tuán)隊(duì)就可能持續(xù)拿到這個(gè)領(lǐng)域大多數(shù)客戶的訂單。“某一個(gè)碳纖維零部件都可能造就千億元級(jí)別的商業(yè)賽道。”

如此的研發(fā)體制，在余木火所在的東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院已有實(shí)踐。那里的一個(gè)數(shù)年來專心致力于碳纖維汽車傳動(dòng)軸的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，如今已經(jīng)得到投資，開始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要讓懂碳纖維的人才從一開始就融入，并且牢牢咬住某個(gè)碳纖維產(chǎn)品的細(xì)分領(lǐng)域持之以恒地鉆研數(shù)年，就很有希望做成“單打冠軍”“隱形冠軍”。

營(yíng)造碳纖維生態(tài)圈

2019年，上海碳纖維復(fù)合材料創(chuàng)新研究院成立并在金山第二工業(yè)區(qū)落地。這是一家由金山區(qū)政府、上海石化、上海電氣集團(tuán)、東華大學(xué)等7家單位聯(lián)合發(fā)起成立的混合所有制的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。研究院身兼雙重使命，既是肩負(fù)科研攻堅(jiān)重任的“破冰船”，又是提供公共服務(wù)的“航空母艦”，將通過提供產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)研發(fā)與轉(zhuǎn)化技術(shù)服務(wù)，加速孵化科研成果和技術(shù)產(chǎn)品。

在該研究院擔(dān)任首席科學(xué)家的余木火向《新民周刊》記者表示：他更為看重研究院的產(chǎn)業(yè)孵化功能。他說，研究院為研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供產(chǎn)品的公共中試車間，如果車間的一條生產(chǎn)線可以供十個(gè)團(tuán)隊(duì)公用的話，就將每個(gè)團(tuán)隊(duì)的配置生產(chǎn)線成本至少降低到了原來的十分之一。研究院為科研團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備好基礎(chǔ)設(shè)備，并向全球征集能高效利用這些設(shè)備的團(tuán)隊(duì)。

另外，研究院也可以發(fā)揮科技金融的功能，為碳纖維材料領(lǐng)域的發(fā)展提供基金平臺(tái)支持。產(chǎn)業(yè)基金是投入到設(shè)備上，而創(chuàng)新基金則鼓勵(lì)和吸引人才。另外，研究院還要為創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)提供配套的公共服務(wù)。

近年來，上海金山區(qū)在推動(dòng)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上動(dòng)作頻頻。在去年的浦江創(chuàng)新論壇上，金山區(qū)發(fā)布“碳纖維十五條”專項(xiàng)政策，全力推動(dòng)碳纖維產(chǎn)業(yè)集群在杭州灣北岸的崛起。

這些專項(xiàng)政策，從支持產(chǎn)業(yè)集聚集約發(fā)展、支持企業(yè)做優(yōu)做大做強(qiáng)、支持產(chǎn)學(xué)研結(jié)合及科創(chuàng)能力提升、推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用等四個(gè)方面著手，引導(dǎo)扶持碳纖維產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。比如，在現(xiàn)有政策獎(jiǎng)補(bǔ)基礎(chǔ)上，金山區(qū)研究設(shè)立碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)基金，重點(diǎn)支持共性關(guān)鍵技術(shù)、重大應(yīng)用技術(shù)的突破，以及碳纖維重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目建設(shè)。

論壇上，15個(gè)碳纖維領(lǐng)域相關(guān)項(xiàng)目簽約落戶金山，總投資額約70億元。簽約落地的產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目中最吸引業(yè)界矚目的，是上海石化大絲束碳纖維項(xiàng)目。該項(xiàng)目投產(chǎn)后可年產(chǎn)1.2萬噸48K大絲束碳纖維，產(chǎn)品將應(yīng)用于海上風(fēng)電葉片、軌道交通、汽車、能源等領(lǐng)域。所謂“48K大絲束碳纖維”，指的是一束碳纖維包括4.8萬根細(xì)絲，每根細(xì)絲直徑只有頭發(fā)絲的十分之一。這樣的大絲束碳纖維用來生產(chǎn)復(fù)合材料的效率比小絲束碳纖維要高得多。

當(dāng)前，中國(guó)每年大絲束碳纖維的用量在3萬多噸，約占全球的三分之一，但大多數(shù)依賴進(jìn)口，技術(shù)受制于人的情況突出。上述上海石化的萬噸級(jí)國(guó)產(chǎn)項(xiàng)目投產(chǎn)后，有望推動(dòng)這一原材料成本至少下降20%。

2020浦江創(chuàng)新論壇之“碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇”上，“打造長(zhǎng)三角碳纖維產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈”的聯(lián)合倡議被提出。其中，“碳谷綠灣”示范產(chǎn)業(yè)園的建立，是其中關(guān)鍵一步。

由華為與東風(fēng)汽車聯(lián)合研制的無人小巴Sharing-VAN亮相2019上海車展。Sharing-VAN車身使用了大量的碳纖維材料。

該產(chǎn)業(yè)園位于金山第二工業(yè)區(qū)的核心位置，規(guī)劃面積8.58平方公里，重點(diǎn)發(fā)展碳纖維復(fù)合材料、功能性膜材料、電子化學(xué)品、高分子增材制造材料等高端新材料，以及相關(guān)生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)。至2025年，“碳谷綠灣”產(chǎn)業(yè)園規(guī)模產(chǎn)值預(yù)計(jì)突破500億元。

2020年1-8月，“碳谷綠灣”產(chǎn)業(yè)招商“量質(zhì)齊升”，已完成簽約項(xiàng)目29個(gè)，計(jì)劃投資總額約32.31億元，同比增長(zhǎng)181.25%;億元以上簽約項(xiàng)目10個(gè)，計(jì)劃投資總額約26.68億元。這些項(xiàng)目投資領(lǐng)域以高端新材料為主，圍繞重點(diǎn)細(xì)分產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的強(qiáng)鏈、補(bǔ)鏈效應(yīng)逐步提升。

金山區(qū)科委相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：近年來，金山區(qū)組織參與編寫上海碳纖維復(fù)合材料創(chuàng)新發(fā)展白皮書，開展金山區(qū)碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃研究，成立上海碳纖維復(fù)合材料創(chuàng)新發(fā)展專家委員會(huì)，并且充分發(fā)揮浦江創(chuàng)新論壇等平臺(tái)功能和溢出效應(yīng)，舉辦碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇等。

他說：上海碳纖維復(fù)合材料創(chuàng)新研究院將堅(jiān)持政府主導(dǎo)、社會(huì)參與、市場(chǎng)化運(yùn)作原則，加快建設(shè)成為具有較強(qiáng)產(chǎn)業(yè)影響力和區(qū)域輻射力的上海市級(jí)研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺(tái)。同時(shí)，金山區(qū)正在努力爭(zhēng)取國(guó)家碳纖維復(fù)合材料技術(shù)創(chuàng)新中心的落地和建設(shè)。