實際上，以碳纖維為代表的新型復(fù)合材料承載著支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防建設(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。

 

    碳纖維于20世紀(jì)70年代開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，當(dāng)時因為制造工藝不成熟、用量少導(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)運用，未來最終的趨勢是大規(guī)模代替金屬材料。

 

    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。用最簡單的話來說，就是“輕質(zhì)高強”：比重只有鋼材的五分之一左右，但強度可以達(dá)到鋼材的5-7倍，同時還有鋼材無法比擬的抗腐蝕等特點。

 

    國家“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》記者采訪時表示：碳纖維材料的優(yōu)勢在許多領(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)航里程是人們對所有交通工具的要求，小到嬰兒推車、輪椅，大到輪船、飛機，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動慣性小，從而速度快、精度高、噪音低、磨損小，這在所有存在機械運動的場合都是明顯的優(yōu)勢。同時，碳纖維比鋼材更耐腐蝕。要知道，全球有一半的機器壽命減少是因為材料被腐蝕造成的。

 

    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，這一點已經(jīng)形成全球共識。它對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性不言而喻，因而在各國都被納入戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃。

 

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

 

    把視角拉得更宏大一些，輕質(zhì)高強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。

 

    東華大學(xué)、上海交通大學(xué)、上海理工大學(xué)等高校都有較強的碳纖維復(fù)合材料研究團(tuán)隊，相關(guān)領(lǐng)域的多家國家重點實驗室也落戶在申城。海納百川的文化有吸引創(chuàng)新團(tuán)隊的基因，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)域重點攻關(guān)十余年，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際領(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。

 

 

    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。中國國產(chǎn)碳纖維的不足并不是在強度的指標(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，這些纖維的強度也需要比較均勻。

 

    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生產(chǎn)流程的工藝水平，這需要投入扎實的基礎(chǔ)科學(xué)研究來改進(jìn)。余木火表示，這正是當(dāng)下我國碳纖維研發(fā)領(lǐng)域的短板所在。“許多生產(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)市場就可以了。這種短期的逐利行為是不可能讓中國碳纖維的競爭力得到提升的。”

 

    碳纖維產(chǎn)品的設(shè)計流程和傳統(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；并且，每一款零部件的設(shè)計都不一樣。

 

    “我們說碳纖維產(chǎn)品貴，其實現(xiàn)在不是貴在原材料上，而是貴在整個零部件制造。”余木火說，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格在每公斤150元，可是成為碳纖維零件后，價格飆升到每公斤700-2000元，這其中很多成本是因為不合適的設(shè)計與不合適的制造方法。

 

    在他看來，我們的研發(fā)團(tuán)隊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，傳動軸、輪轂，新能源車的電池盒、儲氫罐等，任選一個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。如果能率先在某個細(xì)分產(chǎn)品上做到行業(yè)領(lǐng)先水準(zhǔn)，那么這個團(tuán)隊就可能持續(xù)拿到這個領(lǐng)域大多數(shù)客戶的訂單。“某一個碳纖維零部件都可能造就千億元級別的商業(yè)賽道。”

 

 

    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)機構(gòu)。研究院身兼雙重使命，既是肩負(fù)科研攻堅重任的“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)線可以供十個團(tuán)隊公用的話，就將每個團(tuán)隊的配置生產(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。

 

    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)新基金則鼓勵和吸引人才。另外，研究院還要為創(chuàng)新團(tuán)隊提供配套的公共服務(wù)。

 

    近年來，上海金山區(qū)在推動碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展上動作頻頻。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”專項政策，全力推動碳纖維產(chǎn)業(yè)集群在杭州灣北岸的崛起。

 

    這些專項政策，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、支持產(chǎn)學(xué)研結(jié)合及科創(chuàng)能力提升、推動碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用等四個方面著手，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)有政策獎補基礎(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)展專項基金，重點支持共性關(guān)鍵技術(shù)、重大應(yīng)用技術(shù)的突破，以及碳纖維重點產(chǎn)業(yè)項目建設(shè)。

 

    15個碳纖維領(lǐng)域相關(guān)項目簽約落戶金山，總投資額約70億元。簽約落地的產(chǎn)業(yè)項目中最吸引業(yè)界矚目的，是上海石化大絲束碳纖維項目。該項目投產(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國產(chǎn)項目投產(chǎn)后，有望推動這一原材料成本至少下降20%。

 

    金山第二工業(yè)區(qū)“碳谷綠灣”產(chǎn)業(yè)招商“量質(zhì)齊升”，已完成簽約項目29個，計劃投資總額約32.31億元，同比增長181.25%；億元以上簽約項目10個，計劃投資總額約26.68億元。這些項目投資領(lǐng)域以高端新材料為主，圍繞重點細(xì)分產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的強鏈、補鏈效應(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，并且充分發(fā)揮浦江創(chuàng)新論壇等平臺功能和溢出效應(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)新研究院將堅持政府主導(dǎo)、社會參與、市場化運作原則，加快建設(shè)成為具有較強產(chǎn)業(yè)影響力和區(qū)域輻射力的上海市級研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺。同時，金山區(qū)正在努力爭取國家碳纖維復(fù)合材料技術(shù)創(chuàng)新中心的落地和建設(shè)。