從航天飛行器到深海油氣管道，一種能回收重復(fù)使用、性能卓越的新材料——熱塑性碳纖維復(fù)合材料，正悄然改變高端制造的格局。面對(duì)國(guó)外長(zhǎng)期技術(shù)封鎖，長(zhǎng)春理工大學(xué)王菲教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)花費(fèi)近10年時(shí)間，用激光這把利刃破解了材料成型的終極難題，讓中國(guó)在先進(jìn)復(fù)合材料制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”的關(guān)鍵跨越。也是這項(xiàng)“面向新一代航天運(yùn)載器熱塑性碳纖維復(fù)合材料殼體激光原位成型裝備”，在眾多技術(shù)中脫穎而出，獲得了“2024年度中國(guó)十大光學(xué)產(chǎn)業(yè)技術(shù)-未來(lái)獎(jiǎng)”。本期專訪，讓我們一起走進(jìn)他的科研世界。

長(zhǎng)春理工大學(xué) 王菲教授

一、用激光“破解”新材料

面向新一代航天運(yùn)載器熱塑性碳纖維復(fù)合材料殼體激光原位成型裝備——王菲教授團(tuán)隊(duì)的獲獎(jiǎng)技術(shù)名字很長(zhǎng)，在這個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的名字里，有兩個(gè)關(guān)鍵名詞——熱塑性碳纖維復(fù)合材料和原位成型。

所謂熱塑性碳纖維復(fù)合材料，是由碳纖維和熱塑性樹(shù)脂復(fù)合而成，其最大特點(diǎn)是可重復(fù)加工：加熱時(shí)軟化，冷卻后固化，且過(guò)程不產(chǎn)生化學(xué)污染。相比之下，傳統(tǒng)熱固性材料一旦固化便不可改變，也無(wú)法回收。

但是，這種材料的加工面臨兩大挑戰(zhàn)：一是熔點(diǎn)高，需要瞬時(shí)高溫；二是熔融后材料變軟，必須同步施加高壓才能精確成型。

在激光領(lǐng)域深耕多年的王菲教授創(chuàng)新性地采用激光作為熱源，通過(guò)激光瞬間產(chǎn)生的高溫使材料熔融，再通過(guò)壓輥同步施加高壓，使材料在快速冷卻過(guò)程中完成定型。

“在這個(gè)過(guò)程中，熱傳導(dǎo)機(jī)制很關(guān)鍵，”王菲指出，“碳纖維能快速吸收激光能量并傳遞給樹(shù)脂，使其熔融；在激光停止照射后，又能迅速將熱量導(dǎo)走，實(shí)現(xiàn)快速冷卻?！边@種快速的加熱-冷卻循環(huán)，使得材料能夠在極短時(shí)間內(nèi)完成成型。

而團(tuán)隊(duì)提出的“原位成型”概念，則徹底改變了傳統(tǒng)制造工藝。傳統(tǒng)方法需要先將材料纏繞成型，再送入固化爐進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)十余小時(shí)的固化；而原位成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在同一位置鋪放與固化同步進(jìn)行，不僅大幅縮短了生產(chǎn)周期，也避免了構(gòu)件在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的損傷。

為此，面對(duì)復(fù)雜形狀構(gòu)件的制造難題，特別是在曲率不斷變化的區(qū)域，王菲團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了“超前預(yù)測(cè)控制”方法。通過(guò)預(yù)先計(jì)算鋪放路徑和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)能夠提前調(diào)整工藝參數(shù)，確保在變速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中仍能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成型。

目前，這項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用于高壓氫氣管道和深海石油天然氣管道的制造。王菲團(tuán)隊(duì)成為國(guó)內(nèi)唯一掌握該成型技術(shù)的團(tuán)隊(duì)，其產(chǎn)品在層間剪切強(qiáng)度等指標(biāo)上達(dá)到國(guó)際同等水平，在孔隙率等關(guān)鍵指標(biāo)上甚至更優(yōu)，實(shí)現(xiàn)了真正的國(guó)產(chǎn)替代。

熱塑性碳纖維復(fù)合材料殼體激光原位成型裝備

二、十年攻關(guān)，不負(fù)家國(guó)

回憶起這段始于近十年前的研究歷程時(shí)，王菲教授語(yǔ)氣中仍帶著一絲感慨。他介紹，團(tuán)隊(duì)最早在2015年前后萌生了將熱塑性碳纖維復(fù)合材料用于航天構(gòu)件成型的構(gòu)想，并著手初步探索。至2018年，研究逐漸聚焦，他們清晰識(shí)別出兩個(gè)核心難題：一是變曲率、變速度鋪放的控制問(wèn)題，二是鋪放頭與芯模軸之間的運(yùn)動(dòng)干涉。

為解決這些關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，團(tuán)隊(duì)成功申請(qǐng)到國(guó)家自然科學(xué)基金與航天集團(tuán)聯(lián)合設(shè)立的“先進(jìn)制造聯(lián)合基金”，項(xiàng)目于2020年正式啟動(dòng)，重點(diǎn)瞄準(zhǔn)航天發(fā)動(dòng)機(jī)封頭部位的非球面成型工藝展開(kāi)系統(tǒng)攻關(guān)。

然而，科研之路從無(wú)坦途。王菲坦言，那段時(shí)期經(jīng)歷的失敗“數(shù)不勝數(shù)”。困難首先來(lái)自材料本身。當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)在熱塑性碳纖維預(yù)浸帶方面幾乎處于空白，工藝極不成熟。他們與航天科技四院43所協(xié)同攻關(guān)，但早期制備出的預(yù)浸帶問(wèn)題重重：樹(shù)脂與纖維混合不均，導(dǎo)致激光加熱時(shí)溫度場(chǎng)不穩(wěn)定，部分區(qū)域過(guò)熱，部分卻加熱不足；樹(shù)脂含量波動(dòng)大，嚴(yán)重影響成型質(zhì)量的一致性；預(yù)浸帶的寬度與厚度不穩(wěn)定，造成壓輥在鋪放中持續(xù)跳動(dòng)，使鋪放壓力無(wú)法保持穩(wěn)定；更棘手的是，材料形態(tài)也未達(dá)標(biāo)，很多時(shí)候更像“沾了點(diǎn)樹(shù)脂粉末的碳纖維絲束”，遠(yuǎn)未達(dá)到理想預(yù)浸帶的標(biāo)準(zhǔn)，致使溫度控制極為困難，甚至屢屢因控溫失準(zhǔn)觸發(fā)消防報(bào)警。

材料與設(shè)備的雙重挑戰(zhàn)相互交織，使得早期成型構(gòu)件的孔隙率、層間剪切強(qiáng)度等關(guān)鍵性能指標(biāo)遠(yuǎn)不達(dá)標(biāo)。“可以說(shuō)是一團(tuán)糟，”王菲這樣形容起步時(shí)的艱難局面。

面對(duì)困境，團(tuán)隊(duì)從三個(gè)層面系統(tǒng)推進(jìn)改進(jìn)：在材料端，他們與航天43所持續(xù)優(yōu)化預(yù)浸帶制備工藝，顯著提升了其在樹(shù)脂含量、纖維分布及尺寸方面的穩(wěn)定性；在裝備端，團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了加壓結(jié)構(gòu)以抑制壓輥跳動(dòng)，并對(duì)激光光場(chǎng)進(jìn)行勻束整形，提升了加熱溫度場(chǎng)的均勻性；在工藝端，他們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)優(yōu)化了激光功率、鋪放速度與壓力等多參數(shù)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的匹配策略，逐步實(shí)現(xiàn)了成型質(zhì)量的穩(wěn)定可控。

從構(gòu)想到實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，這條路他們走了近十年。在被問(wèn)及是何支撐他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持至今時(shí)，王菲的回答坦誠(chéng)而真摯。他透露，自己最初接觸這一領(lǐng)域時(shí)其實(shí)有點(diǎn)排斥——當(dāng)時(shí)對(duì)碳纖維復(fù)合材料了解不深，手頭亦有其他項(xiàng)目在推進(jìn)。是在合作方因新一代航天運(yùn)載器的迫切需求而主動(dòng)聯(lián)系、極力推動(dòng)下，他才著手進(jìn)行了一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)?！皼](méi)想到，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果出人意料地好，”正是這“意外之喜”，點(diǎn)燃了他深入探索的興趣。

而更深層的驅(qū)動(dòng)力，則源于他將科研工作與國(guó)家重大戰(zhàn)略需求緊密結(jié)合的信念。“我逐漸認(rèn)識(shí)到，我們的研究如果不面向國(guó)家的真實(shí)需求，其價(jià)值將大打折扣。”他談到，該項(xiàng)目所針對(duì)的新一代航天運(yùn)載器技術(shù)，直接關(guān)乎國(guó)防安全，是名副其實(shí)的“國(guó)家所需”。這種以任務(wù)為導(dǎo)向的“有組織的科研”，以及由此產(chǎn)生的價(jià)值認(rèn)同，成為支撐他持續(xù)深耕的核心力量。

三、從激光專家到“碳”索者

事實(shí)上，目前王菲教授全力攻關(guān)的碳纖維方向，并不是他最初的研究方向。他形容自己的求學(xué)與科研之路是一個(gè)“不斷轉(zhuǎn)換跑道”的過(guò)程。本科階段，他在長(zhǎng)春理工大學(xué)光電學(xué)院攻讀生物醫(yī)學(xué)工程，專業(yè)方向偏向光學(xué)與生物控制；而到研究生時(shí)期，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)將他帶到了北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，也由此開(kāi)啟了他與激光技術(shù)相伴的二十年。

跨專業(yè)深造并不輕松。王菲坦言，最初自己甚至擔(dān)心能否順利畢業(yè)。為了補(bǔ)上專業(yè)知識(shí)，他在大四做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，就同步自學(xué)了量子力學(xué)、固體物理等多門(mén)核心課程。整個(gè)研究生階段，他幾乎把所有時(shí)間都投入實(shí)驗(yàn)室，每年僅休息兩到三周，從未享受過(guò)完整的寒暑假或黃金周。這份投入也換來(lái)了扎實(shí)的科研功底——畢業(yè)時(shí)，他不僅獲評(píng)北京市優(yōu)秀碩士學(xué)位論文，還在典禮上由時(shí)任北京工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)親自撥穗，并在隨后的求職中與來(lái)自清華、中科院等頂尖高校的畢業(yè)生同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)，最終選擇回到母校長(zhǎng)春理工大學(xué)任教。

2005年剛回校時(shí)，月薪僅1600元的他，為了延續(xù)科研，不惜自費(fèi)購(gòu)買光學(xué)元件?！耙粋€(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K就要三四萬(wàn)元，相當(dāng)于我兩年多的工資”，他回憶道。就這樣堅(jiān)持?jǐn)?shù)年后，他才獲得在職攻讀博士的機(jī)會(huì)，逐步走上正規(guī)科研軌道。博士期間，他專注于新型激光器研發(fā)，探索光泵浦垂直外腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器，該類型激光器兼具高功率與優(yōu)質(zhì)光束的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊?？上в捎诤髞?lái)其他工作任務(wù)繁重，這個(gè)方向被暫時(shí)擱置。

王菲坦言，在2015年之前，其主要研究方向集中在激光測(cè)試技術(shù)與儀器領(lǐng)域，包括激光參數(shù)測(cè)量、損傷測(cè)試以及激光加工裝備研發(fā)，并在2010年就牽頭研制出激光清洗機(jī)。十年間，他在該方向積累了豐碩成果，獲得近十項(xiàng)省部級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。然而，隨著對(duì)碳纖維復(fù)合材料認(rèn)識(shí)的深入，到2020年，他看到了這一新興方向的巨大潛力，做出了一個(gè)關(guān)鍵抉擇：全面停止與碳纖維無(wú)關(guān)的項(xiàng)目，全力轉(zhuǎn)向該領(lǐng)域研究。

“這個(gè)決定并不輕松”，這意味著他要放下已有深厚積累的方向，包括早期投入多年的激光清洗技術(shù)。但他并不后悔：“科研工作只有面向國(guó)家重大需求，才更具價(jià)值?！?/p>

從生物醫(yī)學(xué)到激光技術(shù)，從測(cè)試儀器到復(fù)合材料，王菲的科研路徑看似不斷轉(zhuǎn)換，卻始終圍繞著國(guó)家需求與學(xué)科前沿。

四、技術(shù)落地，未來(lái)已來(lái)

經(jīng)過(guò)十余年發(fā)展，如今，王菲教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的熱塑性碳纖維復(fù)合材料激光原位成型技術(shù)已日趨成熟，完成了五六輪樣機(jī)迭代。這項(xiàng)技術(shù)已獲得蒙發(fā)能源控股集團(tuán)數(shù)千萬(wàn)元的天使輪融資，并依托途格科技(廣東)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“途格科技”）正式開(kāi)啟產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，他們正致力于建設(shè)生產(chǎn)線，特別是面向氫能和深海石油天然氣高壓管道等應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)劃在三年內(nèi)投入10個(gè)億建設(shè)5~6條熱塑性碳纖維復(fù)合材料柔性管道生產(chǎn)線。

王菲教授表示，任何“高大上”的科技成果，最終都要思考如何“接地氣”，真正轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力和GDP。

在應(yīng)用前景方面，除了航空航天等高端領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)在新能源汽車、消防器材等民用市場(chǎng)同樣大有可為。“比如我們常見(jiàn)的金屬滅火器，重量較大，如果改用碳纖維復(fù)合材料，重量將大幅減輕?！?/p>

然而，最具潛力的市場(chǎng)還在于國(guó)家能源戰(zhàn)略布局。他特別提到“西氫東送”工程面臨的輸送難題：“西部豐富的風(fēng)光電可用于制氫，但如何高效輸送到東部？現(xiàn)有金屬管道不僅重量大，還面臨‘氫氣滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致脆化’的風(fēng)險(xiǎn)?！倍鵁崴苄詮?fù)合材料管道正好能克服這些缺點(diǎn)。

在深海油氣輸送領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)更具革命性意義。“特別是在平均水深超過(guò)1000米的南海，”王菲解釋，“金屬管道在海底耐腐蝕性差，壽命只有幾年，而碳纖維復(fù)合材料管道沒(méi)有腐蝕問(wèn)題，壽命可達(dá)四五十年?！备P(guān)鍵的是，海底管道單根長(zhǎng)度可能達(dá)到數(shù)公里，必須在鋪管船上直接成型下海，這正是原位成型技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)?！皳?jù)估算，如果在南海鋪設(shè)碳纖維復(fù)合材料管道，投入規(guī)?？赡苓_(dá)到七八萬(wàn)億元。”

目前，途格科技公司正在建設(shè)兩條中試生產(chǎn)線。王菲透露，技術(shù)本身也在持續(xù)迭代，以適應(yīng)不同的樹(shù)脂體系。他舉例說(shuō)明：“高端應(yīng)用如航空航天會(huì)選用聚醚醚酮，成型溫度要四百多度；陸地氫氣管道可用尼龍12，兩百度左右；淺海管道可用聚偏氟乙烯，需要三百多度。雖然溫度不同，但核心工藝一致，只需調(diào)整激光功率參數(shù)。”

與此同時(shí)，王菲團(tuán)隊(duì)還在攻關(guān)另一項(xiàng)顛覆性技術(shù)——用激光制備碳纖維。這項(xiàng)研究正是讓他決心全面轉(zhuǎn)向該領(lǐng)域的關(guān)鍵。“當(dāng)前碳纖維生產(chǎn)成本居高不下，主要瓶頸在于能耗。”他給我們算了一筆賬：傳統(tǒng)電加熱工藝生產(chǎn)1公斤T300碳纖維耗電約22度，僅電費(fèi)就要15.4元，而市場(chǎng)售價(jià)約70元，行業(yè)利潤(rùn)微薄。

自2017年起，團(tuán)隊(duì)與吉林碳谷合作研發(fā)激光加熱技術(shù)。“若能實(shí)現(xiàn)，能耗有望降低70%以上?！苯?jīng)過(guò)七年攻關(guān)，他們突破了大光斑光束整形技術(shù)，解決了原絲在預(yù)氧化階段的吸光難題，成為全球首個(gè)公開(kāi)報(bào)道攻克該瓶頸的團(tuán)隊(duì)。

“我們將總加熱時(shí)間從傳統(tǒng)的80-90分鐘縮短到23分鐘，且有望進(jìn)一步壓縮到18分鐘以內(nèi)。”王菲的語(yǔ)氣中帶著自豪，“更重要的是，激光無(wú)需預(yù)熱，傳統(tǒng)電加熱爐從室溫升到3000度要10天，而激光瞬間就能達(dá)到工作溫度?！边@項(xiàng)突破將每公斤碳纖維的生產(chǎn)成本降低約10元，對(duì)行業(yè)而言是顛覆性的。而此前根據(jù)CarbonTech報(bào)道，2024年，國(guó)內(nèi)碳纖維行業(yè)平均利潤(rùn)約為330元/噸，即平均利潤(rùn)0.33元/公斤。

預(yù)計(jì)激光制備碳纖維的中試線明年五六月份投入運(yùn)行。王菲堅(jiān)信，一旦技術(shù)驗(yàn)證成功，將徹底改變碳纖維產(chǎn)業(yè)格局?！艾F(xiàn)在很多民用領(lǐng)域‘用不起’碳纖維，我們的技術(shù)將打開(kāi)巨大的民用市場(chǎng)?！?/p>

結(jié)語(yǔ)：

從最初的激光清洗設(shè)備，到如今聚焦高分子材料領(lǐng)域，王菲老師的產(chǎn)業(yè)化路徑愈發(fā)清晰。他堅(jiān)信，只有將尖端技術(shù)與國(guó)家戰(zhàn)略、市場(chǎng)需求緊密結(jié)合，科技創(chuàng)新才能真正實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。在他的實(shí)驗(yàn)室里，這項(xiàng)“高大上”的技術(shù)，正在一步步走向“接地氣”的產(chǎn)業(yè)化之路。