在今年1月舉行的國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)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(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
據(jù)了解,高性能纖維復(fù)合材料(簡(jiǎn)稱FRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐、可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),可顯著提高土木工程結(jié)構(gòu)的性能,延長(zhǎng)其使用壽命。而上述獎(jiǎng)項(xiàng)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(zhǎng)岳清瑞在近日舉行的一次學(xué)術(shù)交流會(huì)上指出,從我國(guó)碳纖維的應(yīng)用來看,航空領(lǐng)域市場(chǎng)尚未打開,能源領(lǐng)域尚未形成穩(wěn)定市場(chǎng),體育休閑領(lǐng)域?qū)Τ杀疽蠛芨摺6谕聊竟こ填I(lǐng)域,據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)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。
據(jù)相關(guān)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)數(shù)字,2015年前,全球碳纖維市場(chǎng)需求將保持13%的增長(zhǎng),我國(guó)對(duì)碳纖維的需求增速則快于全球。預(yù)測(cè)到2015年,我國(guó)碳纖維總體需求將達(dá)1.6萬噸。
事實(shí)上,從研發(fā)角度看,我國(guó)碳纖維的起步并不晚。早在20世紀(jì)60年代,中科院長(zhǎng)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(guó)產(chǎn)碳纖維發(fā)展開始加速,產(chǎn)能大幅提高。2012年,我國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)碳纖維項(xiàng)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(guó)內(nèi)的建成產(chǎn)能已經(jīng)突破1萬噸,但實(shí)際產(chǎn)量?jī)H為2000噸左右,產(chǎn)能利用率僅有0.2%。而國(guó)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(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)線產(chǎn)能利用率低,并不是因?yàn)橄掠问袌?chǎng)需求不足,而是因?yàn)殡y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(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)出了問題,都可能影響碳纖維的性能。“國(guó)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(guó)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(guó),這個(gè)比例卻分別是20%和80%。
此外,冀志宏認(rèn)為,國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)缺乏完善、權(quán)威的評(píng)價(jià)體系,這也是制約國(guó)產(chǎn)碳纖維發(fā)展的原因之一?! ?/div>
在上述背景下,雖然我國(guó)近年來碳纖維產(chǎn)能快速擴(kuò)張,但大多為相對(duì)低品質(zhì)的產(chǎn)品,與國(guó)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(duì)與其他高校合作,對(duì)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(shí),由于碳纖維的特點(diǎn)是強(qiáng)度較高,延伸性較差,岳清瑞和其團(tuán)隊(duì)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(shì),揚(yáng)長(zhǎng)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(gè)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(gè)重要應(yīng)用方向是海洋(海港)環(huán)境。當(dāng)前我國(guó)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。
碳纖維等FRP在土木工程中的應(yīng)用,也為我國(guó)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(dòng)整個(gè)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(guó)科技研發(fā)實(shí)力的大幅提升,還有助于帶動(dòng)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(jí)研究員賀在華指出。
事實(shí)上,我國(guó)發(fā)展碳纖維的思路也正在發(fā)生轉(zhuǎn)變。“以前國(guó)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(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略試點(diǎn)聯(lián)盟。在2013年12月該聯(lián)盟舉行的第一屆理事會(huì)上,工信部高新司副司長(zhǎng)胡世輝指出,聯(lián)盟要以提高國(guó)產(chǎn)碳纖維競(jìng)爭(zhēng)力為己任,將市場(chǎng)需求作為指定行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的重要參考,以市場(chǎng)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(dòng)國(guó)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(gè)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(diǎn),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(xiàng)扶持政策亟須制定并落實(shí)到位。“土地、稅收、補(bǔ)貼、電價(jià)、科研等政策若能及時(shí)實(shí)施,企業(yè)進(jìn)行科研創(chuàng)新的積極性便會(huì)被調(diào)動(dòng)起來。”