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中国碳陶复材研究第一人,用20年打破制动盘国际垄断

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1958年,美国Chance vought 航空公司在研究碳纤维/酚醛树脂复合材料时,发生了一些失误,使树脂基体未被氧化而发生了热解形成基体碳,这是世界上首次发现碳/碳复合材料。2001年,由于一个突发奇想,在中南大学博士后科研流动站从事研究工作的肖鹏决定综合两位导师的研究,将碳/碳复合材料与陶瓷基复合材料融合,这是他首次提出碳陶概念。经过近20年的技术攻坚和产品试验,碳陶复合材料完美地结合了碳/碳复合材料和陶瓷基复合材料的优势,以其低密度、耐高温、高能载水平、长寿命和全环境适用等优点,被认为是极具竞争力的新一代制动材料。这种突发奇想研制成的材料,有可能成为耐高温摩擦材料界的“扛把子”,被用来生产刹车盘和其他耐高温结构件。为实现高性能碳陶复合材料产业化,湖南世鑫新材料有限公司(以下简称: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,我们要向全世界推广我们的粉末冶金研究成果。”肖鹏曾公开表示。


中国的第一颗原子弹爆炸、第一枚运载火箭升空、第一艘核潜艇下水、第一架国产飞机首飞,这些民族魂的背后都蕴含着中南元素。经过六十余年的发展,中南大学学科性公司的创新创业平台如雨后春笋般不断涌现,更是拥有世界上最为完备的有色冶金学科体系链,成为我国新材料领域集教学、科研和产业为一体的综合性基地。肖鹏坦言,选择中南大学从事博士后研究正是看中了这种“中南传承”,世鑫新材高性能碳陶复合材料产业化项目的成功更是离不开“中南传承”。在西北工业大学攻读博士期间,肖鹏师从中国工程院院士张立同;2001年来到中南大学从事博士后研究后,又师从中国工程院院士黄伯云。张立同院士主要从事航空航天高温陶瓷及其复合材料研究,黄伯云院士长期从事先进复合材料、高性能摩擦材料、高温结构材料、粉末冶金材料以及其它新材料的研究与开发。2004年,两位院士研究的碳碳复合材料和陶瓷基复合材料项目同时获得国家技术发明一等奖,结束了这一奖项连续6年空缺的历史。 2001年,申报课题时,肖鹏萌生了一个新的想法:“两个方向都有人做了,我把两个方向结合一下,把碳/碳复合材料和陶瓷基复合材料融合,让二者的优势互补,不是更好嘛。”于是,国内碳陶复合材料的研究应运而生。“中南大学不仅有不拘一格降人才的传统,还非常包容,黄院士知道我要做碳陶这个新的东西后非常支持。”肖鹏说。对于这个“突发奇想”的研究方向以及后续结出的丰硕成果,肖鹏将其中的一大部分原因归结于运气。“我属于运气特别好的人,两位老师研究做得好,我稍微调整一下就出了新东西。”当然,肖鹏的一部分运气还来源于平台的“助攻”。他所在的中南大学粉末冶金研究院立院的根本就在于产业报国。“把技术转化成产业这是中南的传承,身边值得借鉴的成功经验很多。”


2019年6月18日,是世鑫新材的高光时刻。这一天,其生产的时速400公里高速列车制动盘与闸片下线。这意味着国外企业对高速列车制动盘的垄断成为过去。“我国的高速列车制动盘之前都是钢材料,而其中百分之八九十都是进口或由合资、外资企业供应,自己生产的很少。”肖鹏告诉《大国之材》,世鑫新材研制的碳陶复合材料制动盘解决了国产化问题。相比传统材料,碳陶材料质量轻,更加节能、减噪,同时,碳陶材料还抗氧化,能耐2000℃高温,而且韧性好,不易磨损。“一个碳陶制动盘重量是传统钢材料的四分之一,可为每列车减重10吨,大幅降低噪音,使用寿命也增加一倍。”

 

从第一次提出“碳陶”这个概念,到得到业界的认可,再到将其应用在大国重器上。肖鹏用了将近20年的时间。2001年,将“极软的碳/碳与极硬的陶瓷结合在一起”的想法初步形成,经过3年无数次的试验与失败。2003年,软与硬材料的结合终于被解决,肖鹏在论文中首次提出碳陶概念。“其实最开始我们叫碳硅,后面再转成碳陶的,做项目的时候也不敢叫碳陶,因为大家对陶瓷的印象是‘太硬了’,觉得不可能用作刹车制动材料。”肖鹏笑着说,2005年至2012年,团队将碳陶复合材料作为摩擦材料持续应用到装甲车上,这才打破了外界“不可能”的看法,碳陶材料也就慢慢得到业界的认可。期间,“高性能碳陶复合材料及应用”入选国家高技术研究发展计划。2012年,碳陶复合材料制动盘通过时速420公里的台架试验,这是目前最高的速度。之后,肖鹏和团队开始为碳陶材料的产业化做铺垫。2016年1月,肖鹏以中南大学名义向铁路总公司打了一个报告,阐述了碳陶材料的优势特点及在高速列车上应用的可能性。很快,铁总给出了回应,中车旗下多个公司对此进行调研,并成功立项。


随着研究项目获得中国铁路总公司等多方关注,中车青岛四方、中车株机等相继向他们抛来橄榄枝,公司化运作也变得迫在眉睫。于是,世鑫新材于2016年12月诞生。公司定位是集“产、学、研”为一体的高科技企业,主要从事高速列车、轻轨、地铁以及汽车、坦克、军机、航空航天等用碳陶复合材料及其产品的研发、生产和销售。


碳陶复合材料制动技术是时速400公里及以上高速客运装备4大创新技术之一。世鑫新材打破德国、日本等国的技术垄断,成功解决了时速400km公里高速列车碳陶制动盘结构设计、制备、加工、应用考核中的多项关键技术,并在2019年5月通过了中车主机厂的严格考核,交付中车青岛四方装车试用。


自2017年7月落地株洲动力谷自主创新园以来,世鑫新材高性能碳陶复合材料产业化项已形成以轨道交通为核心,涵盖轨道交通、汽车、军工等四大板块。对于肖鹏和世鑫而言,研究碳陶复合材料的社会效应要高于经济效应。目前,我国90%的高速列车以及70%的城轨地铁都在用德国克诺尔集团供应的制动盘,使得我国在很多时候都受制于人。解决了碳陶复合材料在高速列车上的应用,世鑫接下来的关键一步就是将其大批量应用在轨道交通、新能源汽车等领域。“目前,我们在轨道交通上的应用还处于试用的状态。在汽车领域,我们的推广还是不错的,现在正准备做行业标准。”如果将世鑫碳陶复合材料的商业化应用看作是一场长跑,肖鹏认为,世鑫目前处于冲刺跑的阶段。而要做好冲刺,还有几个问题待解。首先,要降成本,“从高贵的公主变成邻家女孩。”其次是降噪,控制在不同应用领域的噪音,再者是控制摩擦系数的稳定性。

 

在肖鹏看来,无论是轨道交通还是汽车,市场都是百亿级的,只有做好了准备,才能随时拥抱市场。“目前来看,我们做得还可以,现在最核心的就是降成本,使这种材料应用更广泛。”


更新时间: 2020-03-03
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