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【Carbontech 专访】黄启忠:中国碳/碳复合材料行业发展迅速,但仍存在技术瓶颈

Carbontech  · 公众号  ·  · 2024-02-03 21:21

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人物简介



黄启忠,中南大学二级教授、博导,国务院政府津贴获得者,湖南省芙蓉学者特聘教授。黄启忠教授是国家航天技术专家组成员,国家某重大科技专项发动机材料专家组成员,教育部新型飞行器联合研究中心副主任兼轻质耐高温材料分中心主任;中国复合材料学会常务理事、中国金属学会炭素分会副主任委员、中国电工技术学会炭—石墨材料专业委员会副主任委员;是《Journal of Materials Science & Technology》、《新型炭材料》、《高科技纤维与应用》杂志编委,《炭素》、《炭素技术》杂志副主编;浙江大学兼职教授、国防科技大学特种陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室学术委员、中国科学院炭材料重点实验室学术委员;在国内外发表论文200余篇,出版了100万字的专著《高性能炭/炭复合材料的制备、结构与应用》和50万字的译著《新一代航空航天热结构与材料》;是教育部唯一的全国军工能力建设先进个人,获得国家技术发明一等奖等7项科技成果奖励;近年来主持了国家重大科技专项、国家973、国家863、国家支撑、国家重点研发计划等国家级项目20多项,解决了多项国家急需。


研究领域: 航天耐烧蚀炭/炭复合材料;炭的化学气相沉积与新炭材料;燃料电池炭纸;高温纯净空气风洞研究。



1. 您长期专注于碳/碳复合材料行业,做了这么多年,您有什么感想?


我从1978年在湖南大学学习碳素专业就开始接触碳纤维,1982年在中国科学院金属研究所做硕士研究生时开始研究碳/碳复合材料和化学气相沉积,近年来碳/碳复合材料取得了飞速发展,表现在:①研究和开发碳/碳复合材料的人员不断增加, 制备理论、制备方法、制备成本等方面取得了长足的进步,形成了一个产业 ;②最开始只是作为航天耐烧蚀材料和航空刹车材料得到应用, 近年来碳/碳复合材料走向了民用,在光伏等领域有着广泛的市场 ,未来将有更大的应用前景;③最初碳/碳复合材料的化学气相沉积设备很小,最大的直径不到1米,现在发展到直径大于8米, 成本大幅度下降 ;④ 从碳/碳复合材料发展到碳/陶复合材料 ,应用更加广泛。



2. 您可以简单介绍一下中国碳/碳复合材料的发展历程吗?当前的发展瓶颈在哪里?未来的发展趋势如何?国内外该行业的发展差异有哪些?


碳/碳复合材料是1958年美国橡树林国家实验室偶然发现的;1963年开始中国科学院长春应用化学研究所李仍元研究员和中国科学院金属研究所张名大研究员等开始研究碳纤维研究;1972年中国科学院金属研究所张名大研究员和刘文川研究员等开始研究碳/碳复合材料研究,随后碳/碳复合材料技术转移至航天部43所作为火箭喉衬、转移至冶金部兰州碳素厂作为料刹车材料、热解石墨技术转移至抚顺炭素厂生产火箭喉衬、大型电子管栅极,目前这一技术在全国开花结果。


当前的碳/碳复合材料发展瓶颈在:基础研究不够,特别是化学气相沉积理论不清,处于黑箱操作、难以获得性能良好的高质构粗糙层结构、高密度结构和高均匀结构的化学气相沉积热解碳。 未来发展要加强产品的使用寿命控制、产品性能控制、产品成本控制研究 。由于碳/碳复合材料属于国防材料,和国际交流少,造成了这一领域国内外的科学和技术差异,英国、法国、美国在碳/碳复合材料领域进行了大量的基础工作,在飞机刹车方面能获得化学气相沉积密度在1.8 g/cm3以上的粗糙层产品,我们应急起直追。



3. 中国碳/碳复合材料企业的发展现状如何?当前外部形式严峻,中国企业如何发挥自身优势,突出重围?国家政策如何有效赋能碳/碳复合材料行业?


国内从事碳/碳复合材料基础研究的单位主要有:中国科学院金属研究所、西北工业大学、中南大学、上海大学,企业主要有:博云新材、金博股份、天宜上佳、航天703研究所、航天43研究所、北京621研究所、陕西514厂。在民用领域,我们要认准差距,发挥我们的人才优势、市场优势,科研院所和企业紧密结合,加强基础研究。


《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标的建议》指出:“发展战略新兴产业,加快壮大新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料、高端装备、新能源汽车、绿色环保已经航空航天、海洋装备等产业”;“提升企业创新能力,强化企业创新主体地位,促进各类创新要素向企业聚集”。 碳/碳复合材料属于国家重点支持领域,我们应把握机遇,发挥优势,突出重围



4. 近年,碳/碳复合材料的制备工艺有哪些进展?碳/碳复合材料的致密化、抗氧化涂层、关键设备等的研究有哪些更新?您可以简单分享一下吗?


碳/碳复合材料的制备过程中,增密是关键,目前化学气相沉积工艺一个是向设备大型化发展,降低制备成本;一个是向设备小型化发展,提高性能;再一个是化学气相沉积和浸渍/碳化相结合,提高密度,降低成本。化学气相沉积本身也由均温均压化学气相沉积向定向流化学气相沉积和液相化学气相沉积发展,取得了较大的进展。


在碳/碳复合材料进行表面和基体改性,提高抗氧化性能和力学性能,发展出了碳/陶复合材料,采用的工艺有化学气相沉积(CVI)和浸渍裂解(PIP)等工艺,采用的陶瓷材料主要有碳化硅、碳化锆、碳化铪等。


碳/碳复合材料的制造设备研究和生产厂家有湖南顶立科技、西安电炉等, 碳/碳复合材料的关键制造设备越来越大,控制精度和产品节能不断提升 ,此外数控加工技术的引入,他们一起推动了碳/碳复合材料产业的发展。



5. 随着热场系统大型化和N型硅片渗透率的提升,热场材料将面临更高的技术要求,需要解决的问题有哪些?在半导体行业,由于对硅单晶纯度要求更高,目前仍以高纯等静压石墨产品为主,您觉得碳/碳复合材料在半导体领域有望取代石墨材料吗?


随着热场系统大型化和N型硅片渗透率的提升,对热场材料提出了更高的技术要求,首先我们应知道,热场材料中,碳、硅、氧不属于杂质元素,我们应 严格控制碳/碳复合材料及保温碳毡中杂质元素和灰份,特别是磷、氮等元素的存在,控制在PPM数量级 ,才能保障对硅单晶纯度要求,由此出现了高温提纯和高温化学提纯等技术。


由于碳/碳复合材料在制造过程中存在密度不均匀,包括在化学气相沉积过程中产生的厚度方向不均匀、沉积内外侧位置的不均匀、沉积上下位置的不均匀,密度偏差在0.1~0.3 g/cm 3 ,而且整体密度偏低,热解炭质构以光滑层为主,造成电阻率是高纯等静压石墨的4倍以上,不能作为发热体等部件应用。如果获得的碳/碳复合材料密度达到1.5 g/cm 3 以上,而且质构是以粗糙层结构热解炭为主, 碳/碳复合材料在半导体领域完全可以取代等静压石墨材料作为发热体等部件应用,其使用寿命将大幅度提高。



6. 在航空航天事业的发展过程中,碳/碳复合材料发挥着至关重要的作用。碳/碳复合材料在该领域的应用有哪些?我们在国际上处于什么水平?


碳/碳复合材料是应航空航天技术而生的材料,作为还原气氛下的航天耐烧蚀材料,其密度仅为以前使用的钨渗铜的十分之一,大幅度提高了导弹的射程;作为航空刹车材料,相对于粉末冶金刹车材料,其使用寿命是6倍以上,密度小于三分之一,摩擦系数更稳定。 作为氧化气氛下使用的烧蚀材料,近期开发出了高性能碳/陶复合材料,在高超声速飞行器中广泛应用 。目前中国的航天技术处于国际前沿,表明耐烧蚀碳/碳复合材料技术也处于国际前沿,但航空刹车用碳/碳复合材料和国际先进技术的美、英、法相比,还有很长的路要走。



7. 在先进材料领域,您对于促进产学研深度融合和学术成果转化,有何指导性建议?


碳/碳复合材料在制备过程中,涉及数学、物理学、化学和流体力学等多个学科,在应用过程中,需要和其他先进材料相互配合,促进产学研深度融合和学术成果转化。



8. 您对刚踏入碳/碳复合材料等高新技术领域的年轻人有什么建议?您觉得我们的人才培养,需要往哪些方向努力?


作为一名大学教授和多年的碳/碳复合材料科技工作者,高兴地看到越来越多的单位和年轻人加入碳/碳复合材料领域,碳/碳复合材料是一个高速发展的学科,有很多未知的地方,有很多的前沿研究方向,建议年轻人在高等教育期间就要站在学科的前沿,加强基础课程学习, 将基础理论和碳/碳复合材料相结合,将碳/碳复合材料的应用研究、基础研究相结合,促进我国在这一领域的发展



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