□ 周瑩 朱迅 呂彤彤 宋曉環(huán) 王月
一根手指粗，重量只有0.5克的纖維，卻撐起了中國(guó)風(fēng)電的“脊梁”，錨住了大國(guó)工程的“身軀”，擔(dān)當(dāng)起中國(guó)車的“盔甲”。這種神奇的纖維就是碳纖維。
一代材料，一代制造。碳纖維因?yàn)榫哂袕?qiáng)度高、模量高、耐高溫、重量輕等諸多優(yōu)勢(shì)性能，在現(xiàn)代制造業(yè)中應(yīng)用前景廣闊，被譽(yù)為“工業(yè)黑黃金”。近日，筆者走進(jìn)市開發(fā)區(qū)中復(fù)碳芯，見證一根碳纖維的“七十二變”。
中國(guó)風(fēng)電葉片的“脊梁”更堅(jiān)韌
如今，全球風(fēng)電葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等零部件有六七成在中國(guó)生產(chǎn)制造。然而，在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，特別是風(fēng)機(jī)大型化、葉片長(zhǎng)度變長(zhǎng)等創(chuàng)新方向的不斷拓展下，原有的玻璃纖維模量（固體材料抵抗形變能力的物理量）增長(zhǎng)接近極限，在葉片中加入碳纖維成為大勢(shì)所趨。
走進(jìn)中復(fù)碳芯碳纖維風(fēng)電葉片大梁板生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，筆者目睹了其拉擠大梁板生產(chǎn)的全過程。只見每排25個(gè)滾輪纏繞著T300碳纖維線在生產(chǎn)線聚集、整理、浸潤(rùn)、冷卻、壓制成型，實(shí)現(xiàn)了從“線”到“板”的物理變形。
中復(fù)碳芯技術(shù)研發(fā)部經(jīng)理劉傳瑞介紹，風(fēng)輪組件是風(fēng)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的核心部分，主要由葉片、軸頸、齒輪箱、大梁板等組成。其中大梁板是連接葉片和軸頸的支撐組件，主要起支撐和保持葉片姿態(tài)的作用，并承受著風(fēng)載荷、重量等多方面的力，對(duì)于風(fēng)輪的穩(wěn)定性和壽命等方面起著重要作用。
簡(jiǎn)單地說，制造一片風(fēng)電葉片，必須要有性能良好的大梁板，才能更好地支撐葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，并保障其在全生命周期順利運(yùn)轉(zhuǎn)。
在傳統(tǒng)制造工藝中，風(fēng)電大梁板主要是由玻璃纖維通過灌注的方式制造出來。然而，隨著風(fēng)電行業(yè)成本內(nèi)卷，葉片制造廠家需要選擇性能更好、制造成本更低的大梁。于是，碳纖維大梁板應(yīng)運(yùn)而生。劉傳瑞用一組數(shù)據(jù)說明了碳纖維大梁板的好處：相比高模玻纖，主梁整體減重20%~30%，葉片成本節(jié)約10%左右。
為何會(huì)產(chǎn)生這樣的成本差呢？
在傳統(tǒng)的灌注工藝中，工人需要手工將一層層的玻璃纖維布裹在模具上，并通過真空帶將纖維布之間抽真空，促使模具內(nèi)部形成負(fù)壓空間。這相當(dāng)于我們建房子時(shí)搭好鋼筋。隨后，工作人員需要將液態(tài)樹脂通過負(fù)壓導(dǎo)入模具，為房子澆筑“混凝土”。通過這一系列的操作，才能完成風(fēng)電葉片大梁板的生產(chǎn)。
而碳纖維拉擠大梁板的生產(chǎn)就簡(jiǎn)單很多。其通過拉擠工藝將碳纖維纖維束直接浸入樹脂中，經(jīng)固化模具加熱后就可以直接固化。因?yàn)檎麄€(gè)過程都是由設(shè)備完成，可以有效地節(jié)省生產(chǎn)成本，并且能賦予大梁板更高的纖維含量，也就具備更高的模量。
2019年，中復(fù)碳芯聯(lián)合國(guó)內(nèi)最大的主機(jī)廠商金風(fēng)科技、葉片廠商中復(fù)連眾一起開發(fā)了國(guó)內(nèi)最早的玻纖大梁板并掛機(jī)應(yīng)用。經(jīng)過3年的技術(shù)創(chuàng)新，2022年，中復(fù)碳芯研發(fā)出雙無脫大梁板，可以通過大梁板表面的活性材料直接同葉片進(jìn)行粘連。
“更為重要的是，企業(yè)生產(chǎn)超高速拉擠速度最高可達(dá)到1m/min以上，較常規(guī)產(chǎn)品生產(chǎn)效率提高近30%?！眲魅鹫f。
2021年起，國(guó)內(nèi)葉片廠商逐步將傳統(tǒng)灌注工藝制作葉片主梁變更為使用玻纖及碳纖維大梁板制作主梁，提高了主梁模量。相同成本下，葉片可以做得更長(zhǎng)，單位容量的風(fēng)機(jī)裝機(jī)成本得以降低，中國(guó)風(fēng)電葉片競(jìng)爭(zhēng)力持續(xù)增強(qiáng)。
碳纖維“鋼筋”吊起千噸重量
我國(guó)門類齊全、獨(dú)立完整的工業(yè)體系和超大規(guī)模市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，為碳纖維市場(chǎng)應(yīng)用創(chuàng)造了豐富場(chǎng)景，其中最重要的就是建筑領(lǐng)域的使用。
5月23日，西安市高新區(qū)灃邑大橋全面建成通車。灃邑大橋設(shè)計(jì)為三塔斜拉橋，橋面總長(zhǎng)526米，橋梁總寬57米，采用雙向十車道通行，是目前全世界最寬的全漂浮體系多塔斜拉橋。碳纖維索的應(yīng)用，不僅展示了我國(guó)在橋梁建設(shè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和實(shí)力，也為全球橋梁建設(shè)提供了新的思路和方向。
在人們傳統(tǒng)觀念中，斜拉橋一般使用的是鋼索。當(dāng)年港珠澳大橋修建時(shí)，其拉索采用的是高強(qiáng)度鋼絞線，這種材質(zhì)經(jīng)過特殊的處理和加工，能夠承受極高的張力和變形。
隨著碳纖維應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，碳纖維索成為中國(guó)橋梁新的選擇。因?yàn)閭鹘y(tǒng)鋼材承載強(qiáng)度大約在1500兆帕，特鋼大約在2000兆帕，而碳纖維索可以達(dá)到3000兆帕左右，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋼制拉索，但其重量?jī)H有鋼制拉索的五分之一，具有良好的耐受力。
劉傳瑞介紹，灃邑大橋所采用的碳纖維拉索，是目前世界最大規(guī)格的碳纖維拉索。每一束碳纖維索是由253根直徑為7毫米的碳棒集束成型的，其可以承載2800兆帕的強(qiáng)度，其錨固力更是高達(dá)2000噸。其碳纖維筋材采用中復(fù)神鷹SYT49S-24K碳纖維制成，依托中復(fù)碳芯在碳纖維拉擠技術(shù)和工藝方面的積累，實(shí)現(xiàn)了碳纖維原絲到制品的性能高效轉(zhuǎn)化，拉伸強(qiáng)度高達(dá)3200兆帕。
其實(shí)，碳纖維束不僅可以拉住“中國(guó)橋”，還可以當(dāng)鋼材使用。
在中復(fù)碳芯展館中，筆者看到了一個(gè)特殊的碳纖維束，碳纖維碳棒被制作成螺紋鋼筋模樣。原來，在湖北丹江口水庫(kù)特大橋修建時(shí)，因?yàn)楫?dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件不理想，設(shè)計(jì)人員摒棄了鋼材，而是選用28束碳纖維錨桿將整個(gè)橋墩“錨”在山體上。這項(xiàng)應(yīng)用不僅節(jié)省了大橋基礎(chǔ)的開挖量，還節(jié)省了8000多立方米的混凝土用量。
碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷拓展
新材料產(chǎn)業(yè)茁壯成長(zhǎng)的背后，是企業(yè)數(shù)十年如一日的研發(fā)積累和技術(shù)攻關(guān)。在新材料領(lǐng)域，一旦在關(guān)鍵核心技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了飛躍性創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化突破，市場(chǎng)便會(huì)作出相應(yīng)的反饋。
在中復(fù)碳芯展館內(nèi)，筆者看到了很多該企業(yè)的碳纖維材料產(chǎn)品：復(fù)合材料光伏邊框，重量比鋁合金邊框輕22%，并具有1000小時(shí)抗紫外線能力，邊框使用壽命可達(dá)20年以上；新能源大巴車裝碳纖維型材一般能減輕質(zhì)量35%，從而節(jié)約能源；多股絞合碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，有效地增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性，并已經(jīng)在智利國(guó)家電網(wǎng)改造中被廣泛使用。
目前，中復(fù)碳芯建有近400條復(fù)合材料拉擠生產(chǎn)線、8條各類導(dǎo)線生產(chǎn)線，具備年產(chǎn)5萬公里碳纖維復(fù)合芯棒、2萬公里各類導(dǎo)線、10萬噸拉擠復(fù)合材料制品的生產(chǎn)能力，產(chǎn)能位居全國(guó)第一。企業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用于電力輸送、風(fēng)電光伏、建筑橋梁、工程機(jī)械四大領(lǐng)域。
7月11日，中復(fù)碳芯拉擠復(fù)合材料數(shù)字工廠落成。中復(fù)碳芯黨總支書記、副董事長(zhǎng)任桂芳介紹，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是近年來中復(fù)碳芯優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的重要戰(zhàn)略。
此次落成的中復(fù)碳芯數(shù)字工廠，是企業(yè)年產(chǎn)3萬噸風(fēng)電葉片大梁板數(shù)字化生產(chǎn)線項(xiàng)目。走進(jìn)數(shù)字工廠，筆者看到企業(yè)復(fù)合材料檢測(cè)中心依托SCADA數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)每條產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集都在線上完成。管理人員在辦公室里用手機(jī)就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所有環(huán)節(jié)的運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。
面對(duì)機(jī)遇，中復(fù)碳芯正持續(xù)加大在碳纖維復(fù)合材料拉擠工藝技術(shù)研發(fā)方面的投入，將碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用拓展到更多行業(yè)和領(lǐng)域，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展。
（轉(zhuǎn)自連云港日?qǐng)?bào)云報(bào)-20240811：http://lygrbepaper.lygfb.cn/Page/index/pageid/1521883.html#1521883）
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