本报记者黄莹
一束丝可以承受多少重量?
试验证明,一束普通钢丝,每平方厘米可以承受1.3吨拉力;一束玻璃纤维丝,每平方厘米能承受2.8吨拉力;而一束普通强度的T800碳纤维丝,每平方厘米可承受的拉力为4.5吨,相当于一辆小型汽车的自重。
碳纤维丝抗拉强度大到惊人,而这只是碳纤维的优异性能之一。
碳纤维,被誉为材料界的“黑色黄金”,性能高端、产量稀少,很多人称其为材料工业研发生产的最高殿堂。在材料行业中,碳纤维堪称是几代人心之向往的瑰宝级材料。
碳纤维的出现,就像古人发现火种一样,打开了材料工业通向新世界的大门。
早在上世纪50年代末,“碳纤维”就开始出现在大众视野中,80年代时,国际碳纤维就已经逐步形成产业并得以发展。21世纪以后,基本形成了日本、美国以及台湾地区“三足鼎立”的局面。
而从2008年开始,无论是日本碳纤维巨头对于全球碳纤维行业跟踪的分析卷宗中,还是在中国台湾的台塑上市公司年报分析中,都不约而同的将中复神鹰碳纤维列为中国大陆排名第一的竞争对手。
中复神鹰异军突起的背后有着一个怎样的产业故事?
纤维,“碳”为观止
2007年5月2日清晨,位于江苏省连云港市的神鹰碳纤维南厂区燃起一串长长的鞭炮。鞭炮声中,一辆轿车悄悄驶入,风尘仆仆的客人下车,走在最前面的就是中国建材集团董事长宋志平。
此时,神鹰董事长张国良正在办公室接电话,电话那边告知“宋志平要来参观”的话音刚落,人已到眼前。张国良一脸惊讶:“宋总,实在不知道你们来得这么快,放鞭炮不是因为你们来,而是我们的第一根碳纤维生产出来了,你可不要误会啊。”
宋志平的确是“不请自来”,头一天他刚拍板建设连云港1000亩风电叶片产业基地,听闻这个城市还有一家碳纤维企业,便由麾下复合材料板块企业中国复材的董事长张定金陪同专程上门来看个究竟。
小小的碳纤维,究竟有什么魔力,吸引着这位在中国建材行业叱诧风云的人物?
这得从碳纤维的神奇功能说起。
作为21世纪的新材料之王,直径只有头发丝十分之一的碳纤维丝,强度却是玻璃纤维的2倍,钢丝的4~5倍。除了高强的抗拉能力之外,碳纤维产品还具有质量轻、无蠕变、耐疲劳性强、耐腐蚀性好等多重优异性能,可以实现对钢铁、铝合金等传统材料的替代。
正是这些优异性能,使得碳纤维可以广泛运用到军事、航天等国家安全领域和任何你能想象到的高科技和生活领域之中。
在军事领域,碳纤维被称为军事强国的必争之材。比如,战斗机的生产者将碳纤维复合材料应用在战机机身等部位,减轻飞机自重,大大提高了飞行抗疲劳、机身耐腐蚀等性能。
在航天领域,碳纤维制造的卫星,重量每减少100克,即可多航行几亿千米,有助于人类探索并解开更多未知领域。
在人们生活之中,以法拉利等为代表的意大利超级跑车,早已开始应用碳纤维组件甚至整车使用碳纤维材料。宝马集团量产的碳纤维材料汽车重量比传统汽车减轻了300千克。
碳纤维更广泛应用于体育竞技领域,著名的撑杆跳女王伊辛巴耶娃曾说过,创造至今无人超越的世界纪录,除了感谢教练之外,还要感谢她手中心爱的碳纤维撑杆。
在医疗领域,由轻质碳纤维材质制成的无动力机械外骨骼,能帮助人们在行走时减少7%的能量消耗,基本相当于减重4.5公斤,可以使残障人士拥有一双健步如飞的双腿。
……
正是由于碳纤维是国民经济和国防建设不可或缺的战略性新材料,是争夺未来国际竞争优势的基础性材料。在西方国家,碳纤维出口已经达到与核武器技术相提并论的禁运等级。
梦想,风云际会
宋志平之所以对碳纤维抱有如此强烈的兴致,是因为这种黄金般珍贵的材料,一直是我国材料行业的一个“神话”。
我国对碳纤维的专业化研究起步于20世纪60年代后期,时间并不晚,但一直发展缓慢,整体水平与发达国家相去甚远,产业化程度数十年里几近荒漠。到上世纪90年代末期,碳纤维对我国建材行业人士而言,仍是高耸云霄的传说。
宋志平和张国良第一次看似平凡的会面,对于中国碳纤维产业而言,可以说是创新升级的开始。
1996年和1997年,碳纤维产业化发展陆续被列入国家863、973计划,激发起时任中国新型建筑材料公司(中国建材集团前身)总经理宋志平心中的“碳纤维梦”,只是由于当时的条件限制,这个梦一直被搁浅,一晃就是10年。
那时,宋志平还不知道,在苏北海港城市连云港,也有一位一直怀揣着追求高新材料梦想的人,他就是张国良。当时他还是一个以“神鹰”为名的国有纺织机械企业的厂长。在21世纪初国家日益倡导发展碳纤维产业时,他将目光锁定在碳纤维上。只是那时,他并不了解,这个已进入他视线的碳纤维材料,远远超越了纺织行业的范畴。
“那时觉得碳纤维不过就是理想化的腈纶。我涉足纺织领域20多年,对于纤维没人比我更熟悉。所以,我当时决定搞碳纤维,主要是受国家政策的引导,没想到却抓住了企业转型升级的最大机会。”张国良回忆道。
2005年9月,神鹰碳纤维开启了追逐碳纤维梦想的不平凡旅程。
起步不久,张国良就明白了碳纤维研究与他最初的理解南辕北辙。“当时真是太自信了,把碳纤维想象得过于简单。拿着朋友从日本带回的一束碳纤维丝,全凭一腔热血就敢破釜沉舟投资、研究。结果真的是屡败屡试、屡试屡败。”
但天生就对纤维怀有特殊情感的张国良,对碳纤维的研究越深入,从心里就越发爱上了这种新材料。年过半百的他为了研究碳纤维技术几近痴迷癫狂,他疯狂学习专业知识,查阅碳纤维信息,记下3000项主要工艺数据,还曾数周驱车上万公里,遍寻国内专家。
功夫不负有心人。2007年5月2日,成百上千次失败之后,神鹰终于生产出了第一根碳纤维。
上天似乎安排好了一切,就在那一天,宋志平来到此地,见证了第一根碳纤维的面世。
虽然这第一根碳纤维黏黏糊糊,质量不过关,但宋志平还是情不自禁欣喜激动:“对!对!这就是碳纤维。”
“这么多年来,碳纤维研发一直是我的梦想,国良啊,你一定要和我合作!”宋志平诚恳的话,将两位怀揣材料梦的企业家的心紧紧连在了一起。
2007年10月30日,连云港经济技术开发区大浦工业区锣鼓喧天、彩球高悬。由中国建材旗下的中国复合材料集团有限公司、连云港鹰游公司和江苏奥神公司联袂组建的中复神鹰碳纤维有限公司正式揭牌,神鹰碳纤维正式加入中国建材。
之后几个月,在中国建材支持下,中复神鹰开始建设万吨碳纤维生产线。2008年年底,一期工程建成投产,承载着众人的梦想,中复神鹰向材料之巅、向万吨碳纤维目标迈出了坚定的步伐。
战略,志存高远
中复神鹰成立之初的某一天,宋志平问张定金和张国良:“世界最大碳纤维企业是哪一家,产量多少?”
张定金回答:“是日本东丽,年产一万吨。”
“我们将来一定要超过一万吨,要从中国领先开始,有朝一日成为世界领先的碳纤维企业。”宋志平坚定地说。
今天回想起来,张国良仍在感慨:“当时我们才生产出第一根拿不出手的碳纤维,唯一的生产线设计产能也只有十几吨。宋总却告诉我们要成为生产一万吨碳纤维的企业,要中国领先、世界领先。”张国良接着说:“碳纤维技术研究超乎想象的艰难,我当时想,别说中国领先,就是研发出当时世界上较高性能的T800碳纤维,都是天方夜谭。”
碳纤维技术开发的难度,不亚于开发核武器技术。日本东丽的碳纤维研究团队有近千人,研发团队传承三代都在皓首穷经钻研这一课题。
更有行业人士说,对于碳纤维,就是绝顶聪明的人,不在实验室里踏踏实实研究10年,是绝对研制不出真东西的。
首先,碳纤维研发过程中保持高精度的控制难度,是外人无法想象的。
碳纤维的生产主要经历原丝生产和原丝碳化两大过程,几十道严格的生产工序,只要有一道工序的一个生产参数不到位,就可能造成碳纤维质量的千差万别。而每一项参数的优化,都要经历漫长的试错过程,需要时间、精力、人力和资金等多方面软硬实力的结合与支撑。
碳纤维直径7微米,相当于0.007毫米,是非常细小的材料。在研发过程中,哪怕有一丝变化,都可能带来最终产品性能翻天覆地的改变,而研究者却几乎无法察觉其中的原因。更为关键的是,这方面的技术需要重复试验,并在其重复的相似值中寻找规律,而碳纤维制备的试验重复性非常差,可能只有百分之一的相似性,这是碳纤维量产的最大障碍。
其次,碳纤维的生产过程也是一个几近追求完美的过程。以PAN基碳纤维原丝生产为例,对于原丝的一个基本要求就是:细度均匀,越细越好。但是“越细越好”到底是多细?
中复神鹰的一位技术人员拿起一根T800碳纤维丝束告诉记者:“像这样一根韭菜叶粗细的碳纤维丝束中,包含了细度均匀的12000根碳纤维丝。仅控制每一根碳纤维丝的细度,其技术难度就已经‘难于上青天’。”
再有,对碳纤维制造装备的要求同样必须精益求精。原丝的碳化温度最高能达到1800℃,石墨化的温度更达到3000℃。既要在高温下连续运行,又要保证碳化、石墨化的温度、时间精确无误,还要延长设备的使用寿命。研发这样的设备仿佛是在制造“能容下六味真火的炼丹炉”。
因此,那个时候,研究碳纤维两年多才生产出第一根低性能碳纤维丝的张国良,觉得宋志平话说得太“轻松”。没有想到,正因为拥有这样的战略眼光,中复神鹰才得以飞速跃进,如今已经实现成为“中国领先”的夙愿,成为国内碳纤维领军者,从而加快了我国碳纤维事业发展的进程,并向“世界领先”的目标努力前行。
目标,世界领先
“当年遥不可及的一万吨,现在已经基本上变成了事实。从2007年到现在的8年间,中复神鹰已经拥有3条千吨生产线,现在又新上一条5000吨线,到明年就能超过一万吨。中复神鹰正在一步一个脚印地往前走。”中复神鹰总经理刘芳感慨道。
2007年,央企实力加民企活力的中复神鹰开始调试企业已有的两条100吨碳纤维生产线,很快成功生产出性能基本稳定的T300碳纤维。尽管T300在当时的全球碳纤维市场上只能算是中低端产品,但对刚刚起步的中复神鹰而言,T300的成功可以说是这个企业迅速成长的第一个重要标志。
5年过后的2012年,全球高性能碳纤维市场的代表产品是T800碳纤维。中复神鹰通过对聚合、纺丝、预氧化、碳化、表面处理、上浆剂、复合材料等方面的持续攻关,解决高粘度原液的脱单、脱泡、过滤,干喷湿纺纺丝过程中的漫流、断丝、掉浆,高致密原丝快速高倍牵伸等一系列技术及设备难题,提高聚合釜及其配套装置等大型关键设备自主化制造水平。
如今,中复神鹰已成功研制出T800碳纤维,正在加强稳定性,为中国的T800早日量产化做着努力。
今年7月22日,碳纤维协会组织在连云港召开碳纤维T800鉴定会,很多业界专家学者给予中复神鹰极高的评价。
在T800研制成功的基础上,9月,中复神鹰“干喷湿纺SYT45高性能碳纤维工程化关键技术及设备研发项目”通过国家级鉴定,达到了国内领先、国际同类产品先进水平,成为我国唯一一个,也是世界上第三个攻克干喷湿纺工艺难题的企业。
在中国建材的强力支持下,目前,中复神鹰碳纤维年产能已接近1万吨。最重要的是,企业自主培养的科技人员,已发明多项独创技术,申报了12项专利,其中有4项已获得国家专利授权,打破了国际上对于中国碳纤维的技术封锁。
中复神鹰的实际产量,在国产碳纤维中的市场占有率已达到60%以上,成为当之无愧的国内碳纤维领军企业。更值得一提的是,在当下我国碳纤维仍大量依赖进口的情况下,中复神鹰在如狼似虎的进口碳纤维中,抢占了10%左右的国内市场份额,这对于我国弱小的碳纤维产业而言,是一份坚定的信心和力量。
强者,永不言弃
近几年,随着绿色建材的大力发展,我国建材行业已经有许多企业在众多新型建筑材料领域攻城拔寨,站在了全球同行业领先地位。投身其中的企业,也因此获得了丰盈的利润和骄傲的地位。比如与中复神鹰一路之隔,同属中国建材大家庭的中复连众,在风电叶片的新能源产品领域中即是如此。
碳纤维领域却是另一番景象,这是我国建材领域为数不多的长年整体亏损的行业。直至现在,全行业依旧没有摆脱亏损的阴霾,无论是技术、人才、资金等,都可谓困境重重,绝大多数企业只能在中低端重复生产。
这其中原因很多,高性能碳纤维的生产技术及产品被发达国家垄断和封锁,我国不仅难以买到高端产品、设备,甚至国际学术交流也对我国严格保密。中国的碳纤维研究和产品价格仍时时受制于人。
中复神鹰的一名研究人员告诉记者,在2006年之前,我国尚未研制出T300,那时整个市场几乎被日本企业所垄断。中国进口日本的T300,市价高达每公斤800元。2010年,中复神鹰率先量产T300,日本马上展开大幅度降价攻势,T300的价格迅速降至每公斤150元(加上关税约180元)。很显然,有人试图用低价竞争手段,将中复神鹰扼杀在摇篮中。
时至今日,因为没有定价权,国际上类似的低价竞争从未停歇,由于碳纤维研发工艺复杂艰难,必须投入大量人力、物力、时间和持续不断的资金。高投入低产出始终是困扰我国碳纤维产业发展的巨大瓶颈。
在这样的窘境下,近10年时间里,我国竟发展出大大小小200多家碳纤维企业,但其中接近90%的企业只能重复生产低端产品。一位行业人士分析,国内盲目投资建设低廉的生产线,重复生产低质低量的碳纤维,造成碳纤维在低端环节上的产能过剩,也制约了碳纤维向高端方向发展。
在这样的大环境中,“投入”也几乎贯穿于中复神鹰发展的全过程。
“烧钱谁不心疼?最严峻的是,很可能投入一个亿,都未必能看到碳纤维原丝的影子。”张国良笑道:“但如果没有前期大量的资金投入,高性能高质量的碳纤维一定研制不出来。”
2007年中国建材收购神鹰之前,原企业已经投入了2000多万元用于研发碳纤维,这近乎接近企业资金的阈值。加入中国建材,神鹰得以在中国建材的平台上继续发展。
而中国建材旗下的中国复材,在成本控制、生产稳定和研发团队人才聚集上,始终发挥着央企的优势。张定金每月数次到连云港与中复神鹰研发团队进行深入交流,讨论从技术研发到装备引进的种种重大问题。
“不放弃、不抛弃”成为中复神鹰8年来发展的真实写照。即使现实状况再困难,中复神鹰对高性能碳纤维的追求,对成为“世界领先”的信念也从未动摇。因为他们懂得:占领碳纤维的至高峰,不仅是企业的荣耀,更是行业的责任和国家的使命。
在强烈的共鸣中,在彼此的支持和推动下,抱着“一条路走到黑”的决心,中复神鹰带领着我国碳纤维产业,正在从弱不禁风的“孩童”成长为独当一面的“强者”。
前程,任重道远
我国碳纤维产业的发展虽然还面临诸多困境,但是总体来说,这种困难只是暂时的,未来发展之路依旧广阔。
由碳纤维行业专家领衔撰写的《中国碳纤维市场发展研究及投资前景报告》显示,我国能源、资源、环境、制造、交通等国民经济支柱产业,例如航空航天、高速轨道交通、大型风力发电装备等对高性能结构材料,尤其是碳纤维的需求十分迫切。
“十二五”以来,我国碳纤维行业已经出现了千载难逢的历史发展机遇,《新材料产业“十二五”发展规划》、《关于加快推进碳纤维行业持续健康发展的指导意见(征求意见稿)》相继发布,提出要加大政策支持力度扶持碳纤维产业的成长和发展。
这足以说明碳纤维行业在我国具有广阔的发展前景。
在面临其他国家压制和封锁,始终在全球缺少话语权的当下,打造我国碳纤维行业自己的DNA,将是建材行业必须承担的国家使命和社会责任。大力发展碳纤维等高端复合材料,已跃升为我国建材工业转型升级的重要任务。
接下来,面对行业中存在的各种困境,中复神鹰将继续发挥其大企业集团的引领示范作用,带领行业走出低端徘徊的漩涡,攀上世界尖峰。
一方面,中复神鹰作为行业中的龙头企业,将带头进行更高质量碳纤维的研究,发展高质量的上游产品生产线,保证碳纤维生产稳定、产品优质,从而在关键技术上打破国外的封锁与垄断。
另一方面,促进行业内各大科研机构、企业握紧拳头形成合力,避免重复引进、重复研究,少走弯路、节约成本,使我国早日拥有碳纤维自主研发技术并实现碳纤维产业化的发展。
中国建材以及旗下的中复神鹰,自觉担当民族的使命和责任,艰巨且光荣;国家和行业赋予他们向高科技新材料领域转型升级的重任,任重而道远。在中复神鹰等新型高端材料领域的优秀企业引领下,我国建材行业已经开始向材料科学的巅峰迈进。