碳化硅是工业中非常重要的材料 解读前沿材料科技的产业化

编者按：高性能复合材料是航空制造的必备材料，我国目前正在加大研发和产业化的推动力度。本文从美国、日本、英国、俄罗斯各国的碳化硅纤维制造技术的一些组织实施状况，阐述前沿材料科技产业化的先进管理、投资经验。

2019年：国防科技大学的一篇综述论文

2019年，国防科技大学发表了一篇碳化硅纤维研究的综述论文，这篇论文的内容在中文网络里被广泛地引用。

这篇论文令人印象深刻的是，展示了我国和美国、日本在过去四十余年碳纤维技术的竞争：

1，第一代碳化硅纤维代表的是日本Nippon Carbon生产的Nicalon NL202,Tyranno Lox-M以及国防科技大学生产的KD-I技术。

这些纤维含氧量高(12wt% ~ 13wt%)抗拉强度在1200℃以上迅速下降。

2，第二代碳化硅纤维以Nippon Carbon的Hi-Nicalon、Tyranno ZE，国防科技大学生产的KD-II等为代表。

升级技术通过辐照不溶性和交联性改善了交联过程显著降低氧含量(只有1wt%或更少)。纤维可以保持在惰性气氛下，在1500°C以下具有较高的拉伸强度和模量。

然而,因为他们的自由碳含量高(C/Si≈1.4)，抗氧化性能仍不高理想。

3，第三代产品是Nippon Carbon的Hi-Nicalon S,Tyranno SA和Dow-CorningdSylramic，以及国防科技大学的KD-S和KD-SA

第三代SiC纤维不仅有了接近化学计量比组成(C/Si≈1)，但也具有高结晶性和致密性，具有显著的耐热性、抗氧化性和蠕变阻力。

三代碳化硅纤维技术的拉伸强度曲线

我想，从上图的曲线变化，我们便很容易理解到第三代碳化硅纤维的性能提升。所以希望朋友们讨论的时候能够区分不同产品的性能差距。比如20年前的手机和今天的手机，都叫做mobile phone，可是技术代差是极其巨大的。

碳化硅纤维的含量量、C/Si原子比是决定其技术代差的基本化学因素。

碳化硅纤维的含量量、C/Si原子比是决定代差的基本因素

我国第三代碳化硅纤维的产业化问题

从上述资料，我们得以了解国防科技大学长期研究碳化硅纤维制造技术，并且在每一代技术升级时，均能推出相应的产品型号。我并没有了解到具体的专利布局、创新出发点等分析，因而不能判断国防科技大学的研究是自主创新，还是微创。

但是，这篇论文结尾明确指出一个严肃的问题：

由于SiCf/SiC复合材料已被用于工程应用多年，尽管中国第三代SiC的产业化纤维(KD-S/KD-SA)的性能有了很大提高，但是没有达到Hi-Nicalon S或Tyranno SA纤维的产业化水平。

日本第三代碳化硅纤维

那么对于我国第三代碳化硅纤维产业化的原因有分析吗？我并没有阅读到仔细的分析，仅仅在文章中阅读到其改进想法：

因此，很有必要进行提高SiCf/SiC复合材料的性能的研究，并开发SiCf/SiC复合材料的新工艺建立应用测试的组件数据库。

我对此持保留意见。

美国对第三代碳化硅纤维产业化的极端要求

在一份美国宇航局NASA披露的资料里，我看到了美国基于产业需求提出的材料指标，而这便是美国碳化硅纤维产业化极速推进的驱动力：

NASA和GE的目标是将下一代引擎Leap中使用大量碳化硅复合材料，也意味着需要耐热达到2700华氏度 (1482摄氏度)的碳化硅纤维。

NASA和GE在研究中采用美国Dow-Corning的Sylramic进行硼化处理，碳化硅纤维耐热提升到2500华式度。

这里我必须着重强调：

NASA和GE的评估及测试，并非单一指标，而是满足商用航发指标的商用化材料的全部性能。因而它绝对不是某一篇论文的粗浅研究结果。

美国对第三代碳化硅纤维产业化的组织模式

为应对高端航空发动机领域的创新材料导入，美国在第三代碳化硅纤维产业化上做了快速的布局和规划：

1，2012年，通过GE与赛峰、日本Nippon建立合资公司NGS，全力推进第三代碳化硅纤维在航空制造上的产业化；因而，得以快速地引进日本的碳化硅材料制造技术。

日本第三代碳化硅纤维公司

NGS公司

2，NASA通过TTT项目自2011-2015年组织了“超高温碳化硅纤维”计划。这一计划由NASA的高级研究院James Anthony DiCarlo博士负责。该项目解决了大量工程问题。

3，基于以上研究，2014 年，GE宣布将斥资3亿美元用于测试和开发新GE9X 发动机的新技术，其中还包括陶瓷基复合材料和3D打印。

渲染的 GE9X 扇叶：将只有 16 个碳纤维复合材料制成的叶片

4，2016年，GE宣布了新的GE9X引擎扇叶将采用16个碳化硅纤维复合材料制成的叶片。

经过二十年的发展过程，GE投入百名技术人员，耗资超过15亿美元，不遗余力的推进碳化硅复合材料的在航空领域的商用化。

碳化硅纤维复合材料技术是 GE 21 世纪的核心喷气推进战略

到2018年，GE在俄亥俄州埃文代尔建立了碳化硅复合材料基地（组件开发）； 特拉华州纽瓦克工厂（低产量）； 北卡罗来纳州阿什维尔工厂（全速生产）； 以及阿拉巴马州亨茨维尔（原材料生产）。

在GE的碳化硅复合材料项目中，我们可以看到类似于SpaceX的推进模式。

英国的模式

目前能量产第三代碳化硅材料的除了美国，便是英国初创企业TISICS。我之前的短文有简单介绍过，它的发展模式与GE的模式完全不一样：TISICS是2005年成立的初创企业，只有十几个人，其技术源自英国早年开发的技术，在上世纪90年代通过英国大型的航空航天和国防企业QinetiQ技术转让而得。是目前除了美国外，第二家掌握第三代碳化硅纤维的量产技术的企业。

正因为如此，TISICS得以和全球主要的航空航天制造技术开展广泛的应用，并且得到来自政府各种项目资助。

类似的创新组织形式，我们在此前探讨的美国初创企业的案例中也常常见到。

目前TISICS在航空业的开发项目主要集中在起落架和驱动系统、机身结构和集成：

1，起落架和驱动系统

TISICS 铝复合材料非常适合与基础铝系统集成，同时最大限度地提高拉伸强度 以及通过沿最高载荷路径的选择性加固来实现抗压承载能力。

复合材料部件和整体结构之间的高完整性金属对金属接头最大限度地减少 整个系统质量。

2，机身结构和集成

TISICS 金属复合材料非常适合高抗压强度应用，具有相当的拉伸强度 性能优于 300M 着陆钢，但压缩性能提高了 50%，质量只有一半。

这是一家小而精的初创企业，其业务从小到大，与GE的产业化路径完全不同。值得关注。

俄罗斯的新技术方案

美国和英国的方案都是基于含硅有机化合物的高温裂解技术。

而俄罗斯新西伯利亚州立大学NUS物理学院功能材料合成实验室的研究员Galashov Evgeny Nikolaevich则基于无机晶体生长技术，创造了一套新的基于浸入硅熔体溶液中的连续碳丝表面发生碳化硅的技术路线：

将碳纤维线圈浸入真空反应器中，然后在惰性气氛中在 350-450°C 的温度下将碳纤维线拉过具有高硅含量的低熔点共晶熔体。 在反应结束时，获得具有给定厚度和组成的 SiC/Si 增强涂层的碳化硅纤维线圈，在不破坏碳基的情况下形成。

欧美的生产方法需要大量的时间和资金投入：最终产品的成本超过每磅几千美元。 而Galashov开发的技术成本更低、速度更快。

这种底层的全新工艺概念的创新，有机会带来性能和成本的指数级的变化，也是值得关注的。尤其值得肯定的是，这样的创新对于打造自主产业链，完全摒弃欧美技术制裁，是极其有现实意义的。

值得一提的是，发明这项技术的Galashov研究员，从事晶体生长技术研究长达30多年。除了这项技术，此前还公开一项高质量晶体通用生长技术。这也展示了基于自主的科研体系发展路线，才有真正的创新和独立。

中国碳化硅纤维产业化的驱动力

如前文所述，我国的尖端材料产业化推进相对缓慢，是通过实验室的技术指标的提升可以改进的吗？或者说，从过去几十年的第一代、第二代、第三代碳化硅纤维的产业化对比来看，问题是发生在实验室阶段吗？

我认为这是一个值得深思的问题：

1，EUV光刻机

在过去二十年，欧美不仅出现了ASML的EUV光刻机，配套出现的是惊人的技术池，例如十余家EUV光源厂商（其中有一家是俄罗斯光源）、十余种未来的潜在技术、以及数个下一代高NA光刻研究设备。

美国千瓦级EUV光源设计

Jim博士撰写的欧美EUV光源研究介绍链接：

美国EUV光源厂商20年售出40套EUV光源

而我们准备了什么？

当我们没有EUV产业时，便没有切实的围绕EUV产业的真实的问题展开前沿研究的基本落脚点。因而除了模仿欧美、或者采购欧美现成设备、验证一下欧美的理论，我们的研究布局并没有解决任何产业问题。这是我们的科研组织需要面对和解决的问题。

2，美国航空局FAA的管理

而GE的航空制造的碳化硅纤维复合材料的导入，是偶然吗？绝对不是！

美国航空局FAA的CLEEN计划

美国航空局FAA十几年前便制定了长期的先进航空研究计划：CLEEN计划！

而GE的所有尖端科技便是这个计划长期资助的对象。不仅如此，CLEEN计划覆盖了几乎所有美国航空研究的重大课题的数百项研究。这是真实的商业化价值驱动的结果。

这数百项研究积累的大量尖端技术池，几乎可以确定地将美国的航空业的领先地位延长了20-30年。

GE参与CLEEN计划的先进开始转子引擎研究报告

Jim博士撰写的解读美国产业化管理模式的文章链接：

赛峰的CLEEN计划：开始转子引擎

从以上的分析，我认为我们至少可以看到对于尖端材料科技的两点关键的驱动力：

1，尖端材料的产业化驱动力来自于尖端产业的需求；强烈的商业化需求，带来巨大的投资；

2，尖端产业需求的导向，来自于国家部门和领先企业对于尖端技术的共同、一致性的理解；而在技术战略一致性的基础上，国家资本不仅贡献技术，并且共同承担资金和管理风险。

而上述技术战略一致性，也就是决策能力，依赖于科学的组织管理，不是一日之功！而这正是我反对各种喧嚣浮夸、各种违背科技发展基本规律的打破卡脖子的投资模式的根本原因。

结语：2022年，国防科技大学的一篇研究论文

在撰写此文时，我浏览到国防科技大学刚刚发表了一篇新的论文。这篇论文报道了通过结合静电纺丝技术和聚合物衍生陶瓷方法，制备了柔性超细近化学计量多晶 SiC 纤维。根据报道，其卓越的热稳定性，使其耐热达到1900摄氏度。

我衷心地希望它可以成为我们下一代商业化碳化硅纤维商业化的基石之一--如果它是源自我国的创新，以及发表了专利申请，并且的确是源自真实的产业需求的话。

国防科技大学2022年发表高耐热碳化硅纤维论文

参考资料

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1005030219302403

http://www.ngs-advanced-fibers.com/jpn/index.html

https://www.carbon.co.jp/english/products/silicon_carbide/

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0955221921009432#!

https://www.tisics.co.uk/