碳纖維沒實現的強國夢 用它來彎道超車

2020-12-14 烯灣科技

十幾年前,《科學美國人》雜誌曾提出一個誘人的想法:若在地球與月亮之間搭建一座太空電梯,跨越這遙遠的38萬公裡而不被自身重量拉斷,只有一種材料可以實現,那就是碳納米管。

這個設想瞬間讓碳納米管吸引了全球的關注,甚至影響了一代理工科生的選擇,這其中就有深圳烯灣科技有限公司(以下簡稱「烯灣科技」)創始人鄧飛博士

一名看《阿波羅13號》的中學生

在烯灣科技深圳南山區辦公室裡,有一副引人注目的科幻壁畫,讓人不由自主有種身臨其境穿越時空、只手摘星辰的感覺。

△ 烯灣科技關注建設太空電梯的遐想圖

以上遐想圖目前只是烯灣科技對自家研發的碳納米管纖維終極應用的一個想像,其中亦蘊含了鄧飛博士創業的初衷。

1995年6月30日,《阿波羅13號》大電影在美國首映,動人心弦的影片成功還原了25年前阿波羅13號登月失敗這一航空史上的災難。其後,這部斬獲幾十座大獎的影片在全球火爆開來。

正在上中學的鄧飛也在偶然間觀看了這部電影。但驚心動魄的登月、九死一生的返程、鬼斧神工的剪輯都沒能吸引他的關注。聯想到我國航空航天事業正在高速發展,看完電影後的鄧飛,一心只想著將來一定要研究航空材料。

碩士期間,鄧飛了解到碳纖維複合材料是航空航天產業最重要的材料之一,便努力進入該領域的權威學術圈,進入東京大學武田展雄研究室攻讀博士學位。不過,由於國際上對中國碳纖維科研的封鎖,鄧飛不得不放棄碳纖維材料科研之路。

在導師指引下,鄧飛將研究方向改為下一代碳纖維——碳納米管纖維複合材料,由此成為全球最早進入這一領域的科學家之一。

如果說夢想是一幅感性的抽象派油畫,那科研可就是一沓沓寫滿公式的草稿紙。

博士畢業後,鄧飛前往美國德拉瓦大學複合材料中心,繼續從事先進納米複合材料的研究工作。

2013年的一天晚上,課程工作結束後的鄧飛像往常一樣來到自己的實驗室,看到容器中新長出的碳納米管纖維便隨手拿去做數據測量。

「檢測之後,一看性能就覺得不對,我是不是哪裡測錯了,是不是算錯了,好像怎麼檢測都是我們想要的理論性能數值。」與幼時的雄心萬丈相比,從事多年科研工作的鄧飛更顯謹小慎微。

他不知道自己當晚已經製備出了第一根高性能碳納米管纖維,也完全不敢相信,並一度認為是哪個環節產生了失誤。直到此後很長一段時間,經過反覆檢查設備及數據計算檢驗後,鄧飛才終於確認自己確實已經成功了。

此後3年,鄧飛帶領團隊在德拉瓦實驗室繼續埋頭攻克碳納米管纖維量產難題,並著手勾勒烯灣科技發展藍圖。

碳纖維替代材料產業化應用第一人

2016年8月,鄧飛率團隊回國,在深圳註冊成立烯灣科技,並實現中國深圳、日本東京及美國德拉瓦同步運營。

「在美國做基礎研究,在日本設計改造生產線設備,在深圳做產業化,這個組合在很大程度上避免了我們被『卡脖子』的可能,也正好順應了國內風投大力支持彎道超車項目的時代潮流。」鄧飛表示,碳納米管纖維作為碳纖維的替代材料,科技發達國家都在高度關注,三國同步運營是團隊深度思考後的決定。

2016年11月25日,烯灣科技「全球首個碳納米管纖維量產項目」啟動。第二年7月,烯灣利用完全自主智慧財產權設備制出第一根可量產的碳納米管纖維原絲。這標誌著烯灣的碳納米管材料已經具備產業化的前提和條件。

△ 烯灣科技深圳龍崗正門

據烯灣人介紹,公司的命名頗有一番趣味,其英文名CONE,「C」既有「碳」之意,也意指China,更難得的是發音與中文名相同,如此便可以讓美日的分公司與深圳總部發音同步。而中文名烯灣則是烯烴與深圳灣的結合。

對於能否擔得起C ONE之稱的質疑,鄧飛表示對自己的團隊信心十足。鄧飛表示,在目前全球不足20個可以製備出連續碳納米管纖維的團隊中,烯灣科技團隊的纖維力學性能最佳。

此外,隨著第二代(百噸級)量產設備在今年年初落地,烯灣科技的產能也已實現快速增長。

「我們今年的產量計劃是3-5噸,2020年會做到20-100噸,現在正在擴建新產線」。鄧飛表示,烯灣科技的碳納米管材料已和國內外多家企業合作,正在進行產品性能檢測認證,市場應用在接下來兩年將日趨成熟。

在纖維複合材料領域彎道超車

8月底,MIT的一則消息在科技界颳起一陣旋風。

「MIT成功構建了完全使用碳納米管的CPU」這個消息,讓「碳納米管取代矽」、「摩爾定律即將失效的晶片將通過納米材料實現革命」等呼聲浪潮不斷。更有人認為,「中國芯」或許可以藉此彎道超車。

但遺憾的是,碳納米管產業界的人可不這麼認為。

眾所周知,碳納米管可製備成粉體、薄膜、纖維三種形態的產品。其中,導電散熱性能優異的粉體多用於導電漿料;散熱性能優異的薄膜多用於3C產品的封裝材料;力學性能突出的纖維複合材料則奔著碳纖維替代材料的方向去發展。

「碳納米管目前做晶片封裝材料挺多,但距離取代矽晶片還是有很大的距離。」鄧飛表示,烯灣科技目前在同步運營三個形態的產品,但他對碳納米管纖維的發展前景更看好。

碳纖維素有「黑色黃金」之稱,力學性能優異,也是輕量化的代表材料,因而自面世以來就成為備受青睞的航空航天材料。而碳納米管纖維較之碳纖維,則有過之而無不及。

△ 烯灣科技的碳納米管纖維

「碳纖維複合材料最致命的弱點就是太脆,橫向不受力,而碳納米管纖維韌性好、耐衝擊,且在輕量化方面更有優勢。」鄧飛表示,烯灣科技目前生產的碳納米管纖維力學強度已達到T800級碳纖維的要求,且在生產成本、設備工藝、原材料等各方面,碳納米管都更佔優勢。

據了解,目前國內主流的聚丙烯腈碳纖維,其原材料需從石油中提煉,經過噴絲、牽伸、水洗等幾十道工序後,再進入高溫氧化爐、碳化爐煉製,生產成本高昂。而碳納米管只需一個設備爐,在1000℃以下就可以從碳源氣體中提煉出來。

高性能碳纖維應用前景廣,但生產成本高、製備困難是個行業難題,烯灣科技正是看到這點,正著重發力碳納米管纖維,希望在複合材料領域彎道超車,真正實現自己的「飛天夢」。

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