太空电梯不是梦!看中国如何搞定“黑黄金”技术(图)

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导语:《流浪地球2》为中国的科幻电影竖起了又一座里程碑,影片中的太空电梯画面极度震撼。太空电梯的缆绳要承受地心引力和离心力的双重拉扯,且需要经受住大气层内外向它袭来的任何物体的撞击。因此,又强又轻的材料成为首选,碳纤维的出现,有潜力将中国科幻作品中的想象变成现实……



科幻电影中的太空电梯


去年8月,国内首套大丝束碳纤维生产线的设备安装宣布全面完成,迈出碳纤维产业升级的关键一步。据悉,这是全球第四家掌握大丝束碳纤维生产技术的企业(前三家为日本、美国、德国),并且此条产线的设备已经实现了全部国产化,标志着我国已经掌握了“黑黄金”的生产工艺流程。

一、碳纤维有何“逆天”之处

纵观人类的每次科技革命,其本质都是能源新利用方式叠加材料应用上的突破,正是由于新材料的规模化使用,才能使得某些过去不可能的理论设计成为现实,最终改变千家万户的生活。

碳纤维被称为“新材料之王”,人类对于碳纤维的研究使用,极有可能成为下一次科技革命的突破口之一。



大量碳丝编织而成的碳纤维


碳有一个很特殊的性质,即碳原子可以互相键结形成长链,此性质被称为“成键”。有了这个性质,碳原子就能连接形成不同的分子,产生了有机化学这门学科,而碳纤维是这个特殊性质的直接产物。

人们常说的“碳纤维”,实际上是“碳纤维增强复合材料”的简称,以此次中国试制成功的大丝束碳纤维为例,这是一种含碳量95%以上的高强度新型纤维材料。碳纤维的本质是很多股碳链条编织的麻绳,而每根链条都依靠碳-碳键直接连接:两个碳原子经sp2杂化形成的碳碳双键(C=C)是自然界最强的价键之一(607KJ/mol),强度极其高。在密度不到钢铁四分之一的前提下,强度却是钢铁的7-9倍(不同工艺和原材料碳化过后产生的碳-碳键长度不同),碳纤维材料的最大优势足以显现。相比于金属材料的另一个优势是其化学性质极其稳定,还具备耐腐蚀的特性。



中大量使用碳纤维的飞机机身


因此,碳纤维在机械制造领域拥有巨大优势。实际应用中,碳-碳链条发挥最基本的强度优势,起到框架作用,配合不同特性的树脂构成满足不同功能的复合材料。在诞生之初,碳纤维复合材料就用于航空航天方面的制造工作,而后才逐渐扩展到更广泛的领域。

二、碳纤维为什么被称为“黑黄金”

碳纤维是质轻身强的“新材料之王”,可以在不牺牲机械性能的前提下减轻重量,但目前真正大规模的使用领域仅有航空航天、赛车/高价值跑车和高铁的车头罩等耐久性产品,这与它在制造终端的高昂价格有直接关系。

仅有不惜工本且要被多次复用的特殊领域才能大量使用碳纤维材料,因为在这些产品中,材料的机械性能和轻量化比成本更重要。



中大量使用碳纤维的F1赛车制造


事实上碳纤维在成型前的原材料价格成本并不十分昂贵,通常使用聚丙烯腈纤维进行高温碳化形成。碳纤维的最终成型体价格昂贵都是因为加工工艺较复杂所导致的。

在碳纤维的制作中,工艺精度要求极高,目前工业界也存在着诸多制约产能的因素,主要是以下三个环节。

1.形成碳丝这是碳纤维生产过程的第一步,碳丝的制备通常使用有机纤维碳化法,先在200-300度中加热足够长的时间,纤维内部实现稳定的化学键;其次在400-1900度的惰性环境中加热足够长的时间,释放非碳元素,纯化形成碳丝;最后石墨化,在惰性环境下继续加温到2500—3000摄氏度,不断加压,让碳形成石墨晶体,加强碳丝的力学性能。形成碳丝全程需要长时间的惰性环境、高温高压,极其费时费力。

2.进行编织碳纤维的物理性质决定了,沿着碳丝本身的横向强度较高,但纵向上则很容易被折断。因此在下一步中,需要把很多碳丝编织成丝束提升强度,丝束再通过编织形成了软性的碳纤维布,以此来提升不同方向的力学性能,这个部分的工艺难度也较高,需要专门的机器进行编织。

3.模塑成型获得大面积的碳纤维布后,产品进入了真正的最终成型环节(这一步通常在主机厂内进行)。碳纤维布被装入真空袋中,使其和模具贴合更加紧密,并以精确用量的树脂浸渍作为成型液,之后再进行高温烘烤使其模塑成型,得到碳纤维成品。这个制作过程没有绝对的技术难点,但基本都需要手工操作,而且手工技术的好坏也直接影响了成品品质,因此这一环节的人工成本极其昂贵、制作效率也比较低。



手工制作的碳纤维跑车车架


三、“黑黄金”的“白菜化”潜力无穷

人类对于碳纤维材料的应用时间并不短,但是距离碳纤维材料被“充分运用”(即任何在性能上需要使用该材料的领域都能用上)还有不小的差距。其中既有技术原因,也有政治和经济原因,碳纤维高性能和低成本两条路径的技术一直被先发国家严密封锁。

碳纤维在中国也曾处于“卡脖子”的境况,碳丝和碳纤维布通常以高昂的价格限量进口。

去年国内首次突破的大丝束(每束碳丝数量大于4.8万根)碳纤维属于低成本方向的技术,有利于快速扩展碳纤维的使用领域,持续优化我国工业的产能效率,在打破外企定价权和定量权之后,随着可用材料强度的提升,众多原本不可能的设计成为可能。

过去受制于成本的风电叶片结构得到优化,可以制造得更轻更大。在基建领域,高强度碳纤维的使用有助于建筑及桥梁结构的减重和补强。进一步“白菜化”的碳纤维将不再成为跑车和赛车的专利,可以用于百万元以下汽车结构件的制造,轻量化的车身能极大地节能减排,赋能我国汽车产业的出口。在多个经济民生的重要领域,碳纤维即将发挥着带来质变的关键作用。



S102风电叶片运用碳纤维主梁,长度超过100米



碳纤维车身制造


结语:


依靠自研打破封锁后,该技术在国内已得到了推广,这将有力降低碳纤维在国内的生产成本,改善我国大丝束碳纤维全部依赖进口、长期供不应求的局面。中国碳纤维将助力中国制造走向世界,化不可能为可能。

碳纤维已被用于大桥的斜拉结构

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