2018-11-04 11:46:05新京报
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自研下一代纤维材料,这家公司要量产未来“黑色黄金”

2018-11-04 11:46:05新京报

材料为科技的发展提供了物质基础。最宏大的结构,往往由最微小的物质所创造。

在过去,碳纤维作为一种高强度、高模量纤维的新型纤维材料,在产业中得到了广泛的应用。如今,碳纤维材料的下一代——碳纳米管纤维的研发和量产已不再遥不可及,它有一个霸气的称号——终极纤维材料。

 

“碳纳米管纤维的力学性能和重量比,比现有的碳纤维要有更大的优势。性能方面和现有的碳纤维相当,但重量是现在碳纤维的30%。”烯湾科技董事长、首席科学家邓飞博士表示。

 

烯湾科技是一家原材料研发制造商,于2016年在深圳成立,旨在开发新一代高性能纤维基材。除深圳总部外,烯湾科技在美国特拉华、日本东京也设有研究所。

 

在创办烯湾科技之前,邓飞博士在美国做了四年研发,突破了相关的技术瓶颈后回国创业。在他看来,目前学术界并没有解决碳纳米管纤维量产的问题,而企业界尚未突破技术研发难题,烯湾科技有望在该领域率先突围,实现新材料领域的弯道超车。


用种草的方法生产下一代纤维材料

 

碳纳米管是制造碳纳米管纤维的基础材料。上世纪90年代初,日本发现了碳纳米管这种新型材料,全球范围对碳纳米管的研究和研发形成一个巨大的潮流。

 

据邓飞博士介绍,碳纳米管是材料领域导电性能、导热性能和力学性能最好的材料,除此之外,它还是最轻的材料。


碳纳米管诞生之初最主要的用途是航空航天器件,将粉末状的碳纳米管分散到树脂中,可以制造出比金属更轻同时性能更好的航天器件。

 

但是这种制备工艺存在一个问题,因为碳纳米管是纳米材料,当它在纳米尺寸的时候,所有性能都是最理想的,但是将它变成肉眼可见的宏观材料后,就会丧失掉90%以上的性能。

 

“在学术界有个尺寸效应:从纳米尺寸到微米,再到宏观,每过一个尺寸,材料的性能会降几个数量级。这就是一个连续性和非连续性的问题了。”邓飞博士说。

 

为了解决这个问题,碳纳米管纤维诞生了。邓飞博士表示,从2000年左右开始,学术界开始尝试将千千万万根碳纳米管拧在一起,做成一种新型的纤维材料,因为碳纳米管本身就是材料里面性能最好的一种理想材料,这种“捆绑”形成的碳纳米管纤维,就具备了更高的性能,因此被称为终极纤维材料。

 

烯湾科技对碳纳米管纤维的研发生产,就是采用的这种方法。

 

邓飞博士称,烯湾科技首先将二氧化碳气体和催化剂在高温炉设备中混合,氧脱落后就剩下碳,在催化剂的作用下,碳会垂直长出碳纳米管。然后在设备中将碳纳米管定向的朝一个方向摆放,让它去生长。


接下来的过程跟种草非常相似。草从地面上长出来后,利用工具从草的侧面将草拽出来,这些草会一根一根的倒下,前面倒下的草会把下面的草带出来,接下来往外面一扯,草就跟蚕丝一样变成了纤维。同样的道理,可以从碳纳米管生产出碳纳米管纤维。


而利用碳纳米管纤维去制造复合材料的过程,跟做衣服非常相似。棉花纺成丝后,可以用来织布,然后裁剪变成衣服;碳纳米管纤维则可以用来纺布,灌入胶水就定型成为复合材料板,然后可以根据需求来设计板材的厚度和形貌。不同之处在于,碳纳米管纤维的强度非常高,所以板材的强度、钢性要比金属高出很多。


以碳纳米管为原材料,烯湾科技制造出三种不同形态的产品,除了纤维,还有粉末和薄膜。 在碳纳米管的生长过程中,从侧面纺就变成丝,不纺就变成粉末,纤维编织可以变成膜。这三种形态的产品可应用在不同场景。


突破性能和量产限制,构建行业壁垒


作为下一代纤维材料,碳纳米管纤维的研发生产的门槛很高。


“目前能够做到我们的规模,能够长出可纺的碳纳米管,最后把它变成纤维,性能能够达到我们现在这个样子,全球只有我们能够做出来。”邓飞博士说。


目前,全球共有15个团队在做碳纳米管纤维的研发,其中以高校和科研机构为主,但尚未实现规模和量产,这和碳纳米管的特性有关。首先要解决的技术难题是,在宏观材料上保持碳纳米管在纳米尺寸时的性能。


邓飞博士称,纤维里面的千千万万根碳纳米管,相互之间存在界面,需要让所有的碳纳米管都粘得很紧,或者是排列得很有序,才能够把它本身的性能传递下来,然后发挥到宏观材料上。


“怎么样很好地控制每一根碳纳米管在碳纳米管纤维里面的结构,这个是学术界目前还没有解决的问题,但是我们解决了这个问题。”邓飞博士说。


另外,在量产方面,制备碳纳米管粉末和纤维等材料的设备尚未实现标准化,这些设备需要研发团队自己定制,目前市面上并没有设备供应商,但碳纳米管纤维的生长对环境要求很高,这导致规模化生产的难度巨大。


“要实现量产,并控制好性能,这需要一个非常庞大的系统,这是工业界的事情。”邓飞博士表示。


在企业方面,由于目前行业仍以碳纤维的应用为主,碳纳米管纤维尚未引起产业界的广泛关注,技术研发和产业落地并没有很清晰的可行路径。


邓飞博士称,碳纳米管纤维在学术界是一种大家比较认可的材料,但因为还需要在行业里经历磨练,所以大部分人还处于观望的状态。


烯湾科技将突破国外技术封锁,实现新材料领域弯道超车为战略目标。在邓飞看来,烯湾科技的核心优势有两点,一是实现了能够超过现有的高性能碳纤维的碳纳米管纤维的研发生产,二是证明了产业化可行性,探索出了商业化量产的路径。


三种产品形态,拓宽应用领域


烯湾科技在行业里的定位是原材料研发和制造商。邓飞博士表示,烯湾科技的重点会放在原材料的产量方面和性能稳定方面,做出品质最好的原材料,然后和下游商共同开发产品。


为了保持企业的自身造血功能,烯湾科技提供粉末、膜、纤维三种不同形态的产品。


烯湾科技生产的碳纳米管粉末,导电性能在材料中非常突出,将碳纳米管粉末加入到动力电池中,一方面可以大幅度提高性能,另一方面可以降低生产成本。


据邓飞博士介绍,前期烯湾科技会把碳纳米管粉末应用到动力电池、锂电池以及下一代固体电池,使得电池的充电速度更快,容量提高,安全性更好。去年底,烯湾科技已经和国内外的动力电池厂商展开合作,目前处在顾客反复送样并试用的阶段。


“第一是要解决他们现在的技术瓶颈,第二是要帮助他们提升产品竞争能力。” 邓飞博士说。 


在这种类型的合作中,烯湾科技属于原材料生产商,邓飞博士表示自己不会去做电池的生产,而是作为供应链合作伙伴。


碳纳米管薄膜的散热性和导热性,要比现有的材料高出一个数量级。目前产业界的散热材料和导热材料有的是使用碳粉,有的是用石墨烯,在成形的过程中通常需要灌入胶水,导致散热性减低。但是,碳纳米管自己可以成形,可以保持散热性能不变。


邓飞博士表示,在膜的散热和导热领域,烯湾科技今年年初开始和电子器件厂商展开合作。


在碳纳米管纤维领域,烯湾科技目前主要在做性能稳定性,邓飞表示将来会进入航空航天领域,以及高端体育用品领域。比说网球拍的拍框,如果使用碳纳米管纤维制作,可以减重30%,同时实现更高的韧性。


“我们已经做出全球性能最好的碳纳米管纤维,接下来会把它做成布,复合材料板,以及结构材料,这会和下游整个产业链一起合作来做。”邓飞博士说。


虽然在技术和产品方面已经取得了突破,烯湾科技依然面临挑战。最大的困难是如何让顾客接受这种新型的材料。目前市场对下一代纤维材料的认知并不充分,作为市场的先行者和探索者,烯湾科技需要让市场认识到产品的价值,从而打开市场。


记者 黎明 编辑 苏琦 协作编辑 张瑞杰 校对 李立军


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