中國碳陶復材研究第一人，用20年打破制動盤國際壟斷
2020-03-03
轉新材料在線
1958年，美國Chance vought 航空公司在研究碳纖維/酚醛樹脂復合材料時，發(fā)生了一些失誤，使樹脂基體未被氧化而發(fā)生了熱解形成基體碳，這是世界上首次發(fā)現(xiàn)碳/碳復合材料。2001年，由于一個突發(fā)奇想，在中南大學博士后科研流動站從事研究工作的肖鵬決定綜合兩位導師的研究，將碳/碳復合材料與陶瓷基復合材料融合，這是他首次提出碳陶概念。經(jīng)過近20年的技術攻堅和產(chǎn)品試驗，碳陶復合材料完美地結合了碳/碳復合材料和陶瓷基復合材料的優(yōu)勢，以其低密度、耐高溫、高能載水平、長壽命和全環(huán)境適用等優(yōu)點，被認為是極具競爭力的新一代制動材料。這種突發(fā)奇想研制成的材料，有可能成為耐高溫摩擦材料界的“扛把子”，被用來生產(chǎn)剎車盤和其他耐高溫結構件。為實現(xiàn)高性能碳陶復合材料產(chǎn)業(yè)化，湖南世鑫新材料有限公司(以下簡稱：世鑫新材)成立于2016年12月。“公司取名‘世鑫’，鑫的寓意是粉末冶金，我們要向全世界推廣我們的粉末冶金研究成果。”肖鵬曾公開表示。
中國的第一顆原子彈爆炸、第一枚運載火箭升空、第一艘核潛艇下水、第一架國產(chǎn)飛機首飛，這些民族魂的背后都蘊含著中南元素。經(jīng)過六十余年的發(fā)展，中南大學學科性公司的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，更是擁有世界上最為完備的有色冶金學科體系鏈，成為我國新材料領域集教學、科研和產(chǎn)業(yè)為一體的綜合性基地。肖鵬坦言，選擇中南大學從事博士后研究正是看中了這種“中南傳承”，世鑫新材高性能碳陶復合材料產(chǎn)業(yè)化項目的成功更是離不開“中南傳承”。在西北工業(yè)大學攻讀博士期間，肖鵬師從中國工程院院士張立同;2001年來到中南大學從事博士后研究后，又師從中國工程院院士黃伯云。張立同院士主要從事航空航天高溫陶瓷及其復合材料研究，黃伯云院士長期從事先進復合材料、高性能摩擦材料、高溫結構材料、粉末冶金材料以及其它新材料的研究與開發(fā)。2004年，兩位院士研究的碳碳復合材料和陶瓷基復合材料項目同時獲得國家技術發(fā)明一等獎，結束了這一獎項連續(xù)6年空缺的歷史。 2001年，申報課題時，肖鵬萌生了一個新的想法：“兩個方向都有人做了，我把兩個方向結合一下，把碳/碳復合材料和陶瓷基復合材料融合，讓二者的優(yōu)勢互補，不是更好嘛。”于是，國內(nèi)碳陶復合材料的研究應運而生。“中南大學不僅有不拘一格降人才的傳統(tǒng)，還非常包容，黃院士知道我要做碳陶這個新的東西后非常支持。”肖鵬說。對于這個“突發(fā)奇想”的研究方向以及后續(xù)結出的豐碩成果，肖鵬將其中的一大部分原因歸結于運氣。“我屬于運氣特別好的人，兩位老師研究做得好，我稍微調(diào)整一下就出了新東西。”當然，肖鵬的一部分運氣還來源于平臺的“助攻”。他所在的中南大學粉末冶金研究院立院的根本就在于產(chǎn)業(yè)報國。“把技術轉化成產(chǎn)業(yè)這是中南的傳承，身邊值得借鑒的成功經(jīng)驗很多。”
2019年6月18日，是世鑫新材的高光時刻。這一天，其生產(chǎn)的時速400公里高速列車制動盤與閘片下線。這意味著國外企業(yè)對高速列車制動盤的壟斷成為過去。“我國的高速列車制動盤之前都是鋼材料，而其中百分之八九十都是進口或由合資、外資企業(yè)供應，自己生產(chǎn)的很少。”肖鵬告訴《大國之材》，世鑫新材研制的碳陶復合材料制動盤解決了國產(chǎn)化問題。相比傳統(tǒng)材料，碳陶材料質(zhì)量輕，更加節(jié)能、減噪，同時，碳陶材料還抗氧化，能耐2000℃高溫，而且韌性好，不易磨損。“一個碳陶制動盤重量是傳統(tǒng)鋼材料的四分之一，可為每列車減重10噸，大幅降低噪音，使用壽命也增加一倍。”
從第一次提出“碳陶”這個概念，到得到業(yè)界的認可，再到將其應用在大國重器上。肖鵬用了將近20年的時間。2001年，將“極軟的碳/碳與極硬的陶瓷結合在一起”的想法初步形成，經(jīng)過3年無數(shù)次的試驗與失敗。2003年，軟與硬材料的結合終于被解決，肖鵬在論文中首次提出碳陶概念。“其實最開始我們叫碳硅，后面再轉成碳陶的，做項目的時候也不敢叫碳陶，因為大家對陶瓷的印象是‘太硬了’，覺得不可能用作剎車制動材料。”肖鵬笑著說，2005年至2012年，團隊將碳陶復合材料作為摩擦材料持續(xù)應用到裝甲車上，這才打破了外界“不可能”的看法，碳陶材料也就慢慢得到業(yè)界的認可。期間，“高性能碳陶復合材料及應用”入選國家高技術研究發(fā)展計劃。2012年，碳陶復合材料制動盤通過時速420公里的臺架試驗，這是目前最高的速度。之后，肖鵬和團隊開始為碳陶材料的產(chǎn)業(yè)化做鋪墊。2016年1月，肖鵬以中南大學名義向鐵路總公司打了一個報告，闡述了碳陶材料的優(yōu)勢特點及在高速列車上應用的可能性。很快，鐵總給出了回應，中車旗下多個公司對此進行調(diào)研，并成功立項。
隨著研究項目獲得中國鐵路總公司等多方關注，中車青島四方、中車株機等相繼向他們拋來橄欖枝，公司化運作也變得迫在眉睫。于是，世鑫新材于2016年12月誕生。公司定位是集“產(chǎn)、學、研”為一體的高科技企業(yè)，主要從事高速列車、輕軌、地鐵以及汽車、坦克、軍機、航空航天等用碳陶復合材料及其產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。
碳陶復合材料制動技術是時速400公里及以上高速客運裝備4大創(chuàng)新技術之一。世鑫新材打破德國、日本等國的技術壟斷，成功解決了時速400km公里高速列車碳陶制動盤結構設計、制備、加工、應用考核中的多項關鍵技術，并在2019年5月通過了中車主機廠的嚴格考核，交付中車青島四方裝車試用。
自2017年7月落地株洲動力谷自主創(chuàng)新園以來，世鑫新材高性能碳陶復合材料產(chǎn)業(yè)化項已形成以軌道交通為核心，涵蓋軌道交通、汽車、軍工等四大板塊。對于肖鵬和世鑫而言，研究碳陶復合材料的社會效應要高于經(jīng)濟效應。目前，我國90%的高速列車以及70%的城軌地鐵都在用德國克諾爾集團供應的制動盤，使得我國在很多時候都受制于人。解決了碳陶復合材料在高速列車上的應用，世鑫接下來的關鍵一步就是將其大批量應用在軌道交通、新能源汽車等領域。“目前，我們在軌道交通上的應用還處于試用的狀態(tài)。在汽車領域，我們的推廣還是不錯的，現(xiàn)在正準備做行業(yè)標準。”如果將世鑫碳陶復合材料的商業(yè)化應用看作是一場長跑，肖鵬認為，世鑫目前處于沖刺跑的階段。而要做好沖刺，還有幾個問題待解。首先，要降成本，“從高貴的公主變成鄰家女孩。”其次是降噪，控制在不同應用領域的噪音，再者是控制摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性。
在肖鵬看來，無論是軌道交通還是汽車，市場都是百億級的，只有做好了準備，才能隨時擁抱市場。“目前來看，我們做得還可以，現(xiàn)在最核心的就是降成本，使這種材料應用更廣泛。”
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