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碳纤维没实现的强国梦 用它来弯道超车

时间:2019-09-25

十几年前,《科学美国人》杂志曾提出一个诱人的想法:若在地球与月亮之间搭建一座太空电梯,跨越这遥远的38万公里而不被自身重量拉断,只有一种材料可以实现,那就是碳纳米管。

这个设想瞬间让碳纳米管吸引了全球的关注,甚至影响了一代理工科生的选择。深圳烯湾科技有限公司(以下简称“烯湾科技”)创始人邓飞博士就是其中之一。


看《阿波罗13号》的中学生

在烯湾科技南山办公室里,有一副充满科幻感的图画占了整整一面墙,分外显眼。置身其中,有种随时要穿越时空隧道、手可摘星辰的感觉。

烯湾科技

△ 烯湾科技关注建设太空电梯的想象图

当然,这个想象图目前只是烯湾科技对自家碳纳米管纤维终极应用的一个想象。但也蕴含了邓飞博士创业的初衷。

1995年6月30日,《阿波罗13号》大电影在美国首映,动人心弦的影片成功还原了25年前阿波罗13号登月失败这一航空史上的灾难。其后,这部斩获几十座大奖的影片在全球火爆开来。

正在上中学的邓飞也在偶然间观看了这部电影。但惊心动魄的登月、九死一生的返程、鬼斧神工的剪辑都没能吸引他的关注。联想到我国航空航天事业正在高速发展,看完电影后的邓飞,一心只想着将来一定要研究航空材料。

硕士期间,邓飞了解到碳纤维复合材料是航空航天产业最重要的材料之一,便努力进入该领域的权威学术圈,进入东京大学武田展雄研究室攻读博士学位。不过,由于国际上对中国碳纤维科研的封锁,邓飞不得不放弃碳纤维材料科研之路。

在导师指引下,邓飞将研究方向改为下一代碳纤维——碳纳米管纤维复合材料,由此成为全球最早进入这一领域的科学家之一。

如果说梦想是一幅感性的抽象派油画,那科研可就是一沓沓写满公式的草稿纸。

博士毕业后,邓飞前往美国特拉华大学复合材料中心,继续从事先进纳米复合材料的研究工作。

2013年的一天晚上,课程工作结束后的邓飞像往常一样来到自己的实验室,看到容器中新长出的碳纳米管纤维便随手拿去做数据测量。

“检测之后,一看性能就觉得不对,我是不是哪里测错了,是不是算错了,好像怎么检测都是我们想要的理论性能数值。”与幼时的雄心万丈相比,从事多年科研工作的邓飞更显谨小慎微。

他不知道自己当晚已经制备出了第一根高性能碳纳米管纤维,也完全不敢相信,并一度认为是哪个环节产生了失误。直到此后很长一段时间,经过反复检查设备及数据计算检验后,邓飞才终于确认自己确实已经成功了。

此后3年,邓飞带领团队在特拉华实验室继续埋头攻克碳纳米管纤维量产难题,并着手勾勒烯湾科技发展蓝图。


碳纤维替代材料产业化应用第一人

2016年8月,邓飞率团队回国,在深圳注册成立烯湾科技,并实现中国深圳、日本东京及美国特拉华同步运营。

“在美国做基础研究,在日本设计改造生产线设备,在深圳做产业化,这个组合在很大程度上避免了我们被‘卡脖子’的可能,也正好顺应了国内风投大力支持弯道超车项目的时代潮流。”邓飞表示,碳纳米管纤维作为碳纤维的替代材料,科技发达国家都在高度关注,三国同步运营是团队深度思考后的决定。

2016年11月25日,烯湾科技“全球首个碳纳米管纤维量产项目”启动。第二年7月,烯湾利用完全自主知识产权设备制出第一根可量产的碳纳米管纤维原丝。这标志着烯湾的碳纳米管材料已经具备产业化的前提和条件。

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△ 烯湾科技深圳龙岗正门

据烯湾科技员工介绍,公司的命名颇有一番趣味,其英文名C ONE,“C”既有“碳”之意,也意指China,更难得的是发音与中文名相同,如此便可以让美日的分公司与深圳总部发音同步。而中文名烯湾则是烯烃与深圳湾的结合。

对于能否担得起C ONE之称的质疑,邓飞表示对自己的团队信心十足。邓飞表示,在目前全球不足20个可以制备出连续碳纳米管纤维的团队中,烯湾科技团队的纤维力学性能最佳。

此外,随着第二代(百吨级)量产设备在今年年初落地,烯湾科技的产能也已实现快速增长。

“我们今年的产量计划是3-5吨,2020年会做到20-100吨,现在正在扩建新产线”。邓飞表示,烯湾科技的碳纳米管材料已和国内外多家企业合作,正在进行产品性能检测认证,市场应用在接下来两年将日趋成熟。


在纤维复合材料领域弯道超车

8月底,MIT的一则消息在科技界刮起一阵旋风。

“MIT成功构建了完全使用碳纳米管的CPU”这个消息,让“碳纳米管取代硅”、“摩尔定律即将失效的芯片将通过纳米材料实现革命”等呼声浪潮不断。更有人认为,“中国芯”或许可以借此弯道超车。

但遗憾的是,碳纳米管产业界的人可不这么认为。

众所周知,碳纳米管可制备成粉体、薄膜、纤维三种形态的产品。其中,导电散热性能优异的粉体多用于导电浆料;散热性能优异的薄膜多用于3C产品的封装材料;力学性能突出的纤维复合材料则奔着碳纤维替代材料的方向去发展。

“碳纳米管目前做芯片封装材料挺多,但距离取代硅芯片还是有很大的距离。”邓飞表示,烯湾科技目前在同步运营三个形态的产品,但他对碳纳米管纤维的发展前景更看好。

碳纤维素有“黑色黄金”之称,力学性能优异,也是轻量化的代表材料,因而自面世以来就成为备受青睐的航空航天材料。而碳纳米管纤维较之碳纤维,则有过之而无不及。

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△ 烯湾科技的碳纳米管纤维

“碳纤维复合材料最致命的弱点就是太脆,横向不受力,而碳纳米管纤维韧性好、耐冲击,且在轻量化方面更有优势。”邓飞表示,烯湾科技目前生产的碳纳米管纤维力学强度已达到T800级碳纤维的要求,且在生产成本、设备工艺、原材料等各方面,碳纳米管都更占优势。

据了解,目前国内主流的聚丙烯腈碳纤维,其原材料需从石油中提炼,经过喷丝、牵伸、水洗等几十道工序后,再进入高温氧化炉、碳化炉炼制,生产成本高昂。而碳纳米管只需一个设备炉,在1000℃以下就可以从碳源气体中提炼出来。

高性能碳纤维应用前景广,但生产成本高、制备困难是个行业难题,烯湾科技正是看到这点,正着重发力碳纳米管纤维,希望在复合材料领域弯道超车,真正实现自己的“飞天梦”。


文章来源于新材料在线