碳纤维技术发展分析及其对我国的启示

    碳纤维是含碳量高于95%的无机高分子纤维无机新材料,具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐磨擦等优异的基本物理及化学性能,并有高振动衰减性,良好的导电导热性能、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数等特性。这些优异的性能使得碳纤维被广泛应用于航空航天、轨道交通、车辆制造、武器装备、工程机械、基础设施建设、海洋工程、石油工程、风力能源、体育用品等领域。
 
  由于碳纤维及其复合材料在国防和民生中都要重要作用,许多专家都聚焦于其发展情况和研究趋势的分析。周宏综述了美国科学家在高性能碳纤维技术发展初期所做的科学技术贡献,并对碳纤维的十六个主要应用领域及近期技术进展进行了扫描和报道;韦鑫等对聚丙烯腈基碳纤维的生产工艺、性能及应用及目前技术发展状况进行了综述,并针对国内碳纤维发展中存在问题提出了建设性意见。另外,对于碳纤维及其复合材料领域的论文和的计量学分析,也有许多人开展了研究。例如马祥林等从计量学角度对1998—2017年碳纤维的权人分布和应用领域进行了分析;杨思思等基于Innography平台对碳纤维布进行了检索及数据统计,从的年度发展趋势、权人、技术热点和该技术的核心等进行了分析。
 
  从碳纤维研究发展轨迹看来,我国的研究几乎与同步启动,但发展缓慢,高性能碳纤维的生产规模和质量与国外相比都有差距,迫切需要加快研发进程,提前战略布局,抢占未来产业发展先机。因此,本文先对各国在碳纤维研究领域的项目布局进行调研,以了解各国研发路线规划;其次,由于碳纤维的基础研究与应用研究对于碳纤维的技术研发来说都极为重要,因此,我们从学术研究成果——SCI论文以及应用研究成果——同时进行计量学分析,以全面了解碳纤维领域的研发进展情况;并对近期本领域的科研动态进行扫描,以窥测国际前沿研发进展。后,基于以上研究结果,为我国碳纤维领域的研究发展路线提出了建议。
 
  碳纤维研究论文产出多的前10个机构均来自,其中排在前5位的依次是:科学院、哈尔滨工业大学、西北工业大学、东华大学、北京航空航天大学。国外机构中,印度理工学院、东京大学、布里斯托大学、莫纳什大学、曼彻斯特大学、佐治亚理工学院排在10~20名之间(图3)。
 
  申请数量排名前30机构中,日本有5家,且其中3家位居前五,东丽公司排名,其后依次为三菱丽阳(第2)、帝人(第4)、东邦(第10)、日本东洋纺公司(第24);机构有21家,石化集团公司量多,排名第三,其次是哈尔滨工业大学、河南科信电缆公司、东华大学、上海石化、北京化工大学等,中科院山西煤化所申请发明66件,排名第27位;韩国机构有2家,其中晓星株式会社排名靠前,居第8位(图4)。
 
  产出机构上看,论文产出主要来自于大学及科研机构,产出主要来自于公司企业,可以看出,碳纤维制造是一项具有高技术含量的产业,作为碳纤维研发产业发展的主体,公司企业都非常重视碳纤维研发技术的保护,尤其是日本2大公司,数量遥遥。
 
  从SCI论文计量学分析角度看,我国的碳纤维作为一种高强性能材料应用于各种领域的研究较多,而对于碳纤维生产制备技术,尤其是聚焦于降低成本、提高产效的研究较少。碳纤维生产工艺流程长、技术关键点多、生产壁垒高,是多学科、多技术的集成,需要突破的技术障碍很多,要高效推进“低成本、高性能”的核心制备技术研发,一方面,需要加强研究投入,另一方面,需要弱化本领域科研绩效评价的论文产出导向,强化技术成果应用效果评估导向,从注重论文发表的“数量型”评价转向成果价值的“质量型”评价。碳纤维技术的高技术属性决定了专业化人才的重要性,是否拥有尖端核心技术人才直接决定着一个机构研发水平的高低。
 
  由于碳纤维技术研发环节很多,应当注重复合型人才培养,以保证各环节研发的配合衔接。另外,从我国碳纤维研究发展史看来,技术核心专家的流动往往成为影响一个研究机构研发水平的关键因素。在生产工艺、复合材料和主要产品上能够保持核心专家和研发团队的固定,对于不断实现技术升级十分重要。
 
  应当继续加强本领域的专业化高技术人才培养和使用,完善对技术研发型人才的评价和待遇政策,加强对青年人才的培育,积极支持与国外先进研发机构的合作和交流,同时大力引进国外先进人才等等,这将对我国的碳纤维研究的发展起到极大的推动作用。