碳化硅纤维的国产化历史,一段名为自主创新的故事

1975年,日本东北大学Yajima小组以聚碳硅烷为先驱体制得了直径为10um左右的连续SiC纤维,日本的SiC纤维研制成功不久,我国就已经开始注意到了这种材料的潜在应用价值,开始布局碳化硅纤维的技术体系研发,也开始了一段走自主创新道路的奋斗历程。


第一代SiC纤维的追赶


上世纪80年代,我国意识到碳化硅纤维作为新型材料,在航空航天领域有潜在的应用价值,于是及早入手,提前布局,专门组织国防科技大学相关科研人员成立了SiC纤维课题组。


课题组一步步建立SiC纤维制备技术体系,先后突破了原材料制备与合成聚碳硅烷、连续熔融纺丝、不熔化处理、烧成等关键技术,国防科技大学冯春祥教授为首的科研团队经过艰苦的探索,于1991年建成了国内第一条连续碳化硅纤维实验生产线。在国内,国防科技大学科研团队对聚碳硅烷和SiC纤维领域最早进行了研发与探索,培养了一批SiC纤维领域的技术研发人才,留下的技术储备为不久的将来SiC纤维的工业化打下了基础。


2000年以后,我国进入了第一代SiC纤维的应用研究阶段,由于其涉及敏感的军事应用,日美等国长期以来一直对我国实行严格的技术封锁和产品出口限制。我国开始了艰苦攻关,自主研发的SiC纤维产业化开发。苏州赛力菲陶纤有限公司、厦门大学等单位先后投入力量进行SiC纤维的研制。


2005年,在江苏省和苏州市政府的推动下,耐高温连续碳化硅纤维实施产业化开发,苏州赛力菲陶纤有限公司成立并落户苏州新区。赛力菲聘请了冯春祥教授为总工程师,组建了一支实力强大的科研团队,通过艰苦攻关,自主研发,实现了关键核心装备自制,成为国内首家实现连续碳化硅纤维生产的企业,一举打破了日美等国长期以来对该类军事敏感材料的技术封锁和产品垄断。


第二代连续SiC纤维的并进


近10年来,航空发动机研制对耐高温连续SiC纤维提出了明确需求,直接推动了第二代、第三代SiC纤维的工程化技术发展。


针对第一代SiC纤维氧含量高导致空气中长期使用温度不能超过1050℃的不足,国防科技大学开展了第二代(KD-II型)SiC纤维关键技术攻关。在保持聚碳硅烷反应活性的同时,通过优化聚碳硅烷组成与结构,突破了可纺性良好的高软化点聚碳硅烷合成及无氧不熔化处理技术,优化了预烧和终烧工艺,掌握了具有自主知识产权的第二代连续SiC纤维工程化制备技术。


“十二五”期间累计向中航工业集团、航天科技集团等用户单位提供了600多公斤第二代连续SiC纤维与织物,初步满足了先进航空发动机等对第二代连续SiC纤维的迫切需求。 


为推动第二代连续SiC纤维的产业化,国防科技大学与九江中船仪表有限责任公司合作于2016年5月在宁波市奉化经济技术开发区筹建了控股子公司宁波众兴新材料科技有限公司,建设年产十吨级第二代连续碳化硅陶瓷纤维产业化线,以满足我国国防建设及高端民用装备市场对高性能连续SiC纤维的需求。 


厦门大学也开展了第二代SiC纤维的工程化技术研究,并且与福建火炬电子科技股份有限公司合作进行产业化开发。 


至此,连续SiC纤维在产品种类、性能和产量上已有大幅进步,尤其是第二代SiC纤维已经接近日本Hi-Nicalon纤维水平。初步突破了国外对连续SiC纤维的制备技术、工艺设备到产品实施禁运的一系列封锁措施。


第三代SiC纤维的赶超


 “十二五”期间,国内也开展了对第三代连续SiC纤维的关键技术研究。国防科技大学采用两条技术路线制备了两种类型的第三代SiC纤维。目前,国防科技大学正在进行小批量制备,下一步将开展系统的工程化关键技术攻关,尽快实现这种纤维的批量化,以满足航空航天领域的迫切需求。 


此外,厦门大学也在第二代SiC纤维的基础上制备了与日本Hi-Nicalon S类似的近化学计量比SiC纤维。


虽然我国SiC纤维研制单位逐步增加,技术发展速度逐步加快,但是SiC纤维总体与国际先进水平的仍然存在差距。一方面,第三代SiC纤维工程化关键技术还没有完全突破,产业化能力稍弱;另一方面,国内SiC纤维需要的纺丝、热工装备加工精度、控制水平和稳定性与发达国家相比还存在较大差距,这将影响纤维质量水平及产业化能力长远发展。


自主创新的路途必然是艰苦且遥远的,连续SiC纤维的国产化之路还有一段路程要走。但这段路程只能我们自己走,也必须我们自己走。


可以预期,未来我国的SiC纤维研发将进入合作与竞争并存的快速发展阶段,一方面加速第二代、第三代SiC纤维的产业化进程,降低制造成本,推动SiC纤维在航空航天领域的规模应用以及民用核能等领域的应用,另一方面功能化SiC纤维将呈现百花齐放的格局,围绕特殊应用领域开发专用SiC纤维,围绕组成、尺寸、形态研制具有特殊功能的SiC纤维。 


坚持自主创新,坚持军民融合,坚持研用结合,相信在未来10年内,将一步步实现系列化SiC纤维的产业化,实现多品种连续SiC纤维的高性能、低成本和规模应用。全面打破国外在装备、技术和产品方面的封锁,进一步提升SiC纤维的总体水平。


碳化硅纤维这片广阔天地,国产化大有作为。


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