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四种新材料改变世界:玻璃比A4纸薄能抗轿车15

作者:尊龙人生就是博手机版    发布时间:2020-05-04 06:43    

  在这期节目中,记者采访了中国建材董事长宋志平等领导专家,并在其所属企业录制了超薄玻璃、发电玻璃、高性能碳纤维、氮化硅陶瓷四种“神秘新材料”,你将看到一个国家材料公司,经过三十年、甚至几代人的努力完成了怎样的转型与蜕变。

  工信部对全国30多家大型企业130多种关键基础材料调研结果显示,32%的关键材料在中国仍为空白,52%依赖进口。材料的研发水平和产业化规模已成为衡量一个国家经济社会发展、科技进步和国防实力的重要标志。而有一家企业,同时掌握了超薄玻璃、发电玻璃、高性能碳纤维和氮化硅陶瓷这四种前沿新材料,令人惊叹!让我们跟随记者一起去看看。

  主持人:材料改变世界。未来的世界将变成什么样,和今天的材料发展有着密切关系。玻璃不仅可以做成宝石,还可以制作出如蝉翼一样的超薄手机屏,甚至还可以用来发电。

  蚌埠市体育中心,从空中看像一个巨大的珍珠。这是专门为即将举办的安徽省运动会建设的。圆形楼顶上安装一块块黑色板子,许鹍会定期来查看施工进度。

  安徽天柱绿色能源科技有限公司项目经理许鹍:这些板子是一种特殊材料制成的。前面黑色一排的就是我们的光伏发电玻璃,人可以轻松走在上面,实验数据表示它可以承受600公斤的雪载。

  整个屋顶总共安装了3444块这样的光伏玻璃,它们的发电量可以满足场馆内所有的照明、消防用电。

  许鹍:这是咱们第一次大面积在公共建筑上采用这个太阳能玻璃,用于屋顶的这些太阳能玻璃,不仅可以承受几百公斤的压力,而且还有着传统太阳能晶硅板所没有的优势。发电玻璃,相对于传统多晶硅玻璃,比传统的弱光性好,说简单点就是,天阴的时候人家都不发电,咱们还可以正常发电,第二个咱们这个相对来说生产成本低,你看这黑色的地方就是它的那个发电电池,一般都做到两到三微米,很薄的,所以说材料用量比较少,节省成本。

  这种发电玻璃用于屋顶,既发电又遮阳,绿色环保,一举两得,而且还可以用做建筑物幕墙,与建筑物融为一体。

  工厂里,新一批发电玻璃正在准备生产。这是我国第一条铜铟镓硒光伏玻璃生产线,玻璃表面涂上铜铟镓硒(CIGS)这四种物质为基础,这四种物质的综合作用下,可以吸收光能,并将其转化成电能,代替了传统晶硅发电。

  凯盛光伏技术部经理刘小雨向记者展示光伏玻璃独有的弱光性:这是一块晶硅的太阳能组件,这是我们自己生产的CIGS太阳能模组。目前,整个太阳能玻璃置于室内,也就是现在这个白炽光的强度,是很低的,这个LED灯,我只是把它接在了我的两个正负极上,没有任何的外置电源,然后我们看到了,在同等情况下,光伏发电玻璃是亮的。

  可以清楚地看到,在没有任何外接光源的情况下,传统晶硅光伏太阳能板上的LED灯是暗的,而铜铟镓硒光伏玻璃上的LED灯是绿的,亮的,唯一的光源就是车间里的白炽灯。

  刘小雨:如果遮挡这么大面积的话,灯变暗了,但是它还亮着,这就是我们的弱光性非常好,即使在这么弱的情况下,被遮挡得这么厉害,它同样还能发电。

  刘小雨:对,它独有的一个优势,在同等装机容量条件下的话,单一的就这个特性的线%的一个发电量。

  记者用身体挡在光伏玻璃前,LED灯就会变暗,甚至熄灭,即使对于室内白炽灯这种微弱的光源,光伏玻璃也极其敏感。目前,这家工厂已经能够生产五种不同颜色的光伏玻璃,用以满足不同客户的个性化需求。而相较于传统的晶硅光伏太阳能板,它的弱光性能好,成本低,污染小,光电转换效率位居各种薄膜太阳能电池之首,被国际上公认为是非常有前途的新型薄膜太阳能电池。

  生产线兆瓦,为了能更平稳高效的生产,今天工艺工程师蒋卓睿要带领团队,做一项极为精细的工作。这个刚刚取下的金灿灿的黄色柱体就是铜镓靶材,它是铜铟镓硒光伏玻璃的关键材料。

  凯盛光伏技术部工艺工程师蒋卓睿向记者介绍:整个这个靶材是一个金黄色的。今天我们要做的事情,就是把靶材里面有一根磁条掏出来,调节磁场的均匀性,因为只有你的磁场保持了一个更均匀的一个状态后,你整体的靶材镀出来的膜才会更均匀,整体的这个铜铟镓硒太阳能电池的质量才会更好。

  磁控溅射,是把铜铟镓物质镀膜到玻璃上的重要工艺。工作时,磁条控制靶材,均匀溅射到总宽超过4米的基板上,溅射的越均匀,太阳能电池性能越好。这根位于靶材中心的基础柱体,就是控制溅射的磁条。今天,蒋卓睿他们要调整磁条与靶材之间的距离,确保在长3米多的基板上,把溅射的均匀度由现在的7%,提高到5%,这是一个新的挑战。

  蒋卓睿:5%以内的话,可以说在行业中算是比较领先的,可能很多的太阳能电池厂商,他都是小面积的,也就是A4纸这么大的,可能更小,但是我们这个镀膜的线毫米,就是每一片玻璃都是像一张桌子这么大,然后我们还是4片玻璃同时镀膜,相当于4个那么大的玻璃在里面镀膜,还要保证它的均匀性,还要保证每一个膜层的厚度和质量都能过关,这是我们很核心的一个技术,而其中的关键就是,通过控制这个磁条里面的磁场均匀性,来改变它的这个工艺。

  在这个3米多长的磁条上共有11个位置安装了特制的垫片,蒋卓睿他们需要提高两个垫片的厚度。

  蒋卓睿:这个垫片,就是可以调节磁场和靶之间的距离,进而提高磁场强度,磁场强度的不同,进而就会影响到,膜层的厚度和膜层的质量的不同。

  看似是几个简单的垫片调整,其实蒋卓睿他们经过无数次的测算,在工作中不断摸索出来的关键参数。这11个垫片位置的厚薄如何组合,直接影响靶材溅射的均匀度,决定着光伏玻璃的质量。调整好的磁条被重新安装到位,测试开始:黑色的玻璃基板,从上料区送入磁控溅射工艺腔体,从观察窗可以看到,铜铟镓靶材在磁条的溅射下,以一种雾化状态均匀溅射到玻璃表面,不同的金属在磁控溅射的作用下,会产生不同的颜色,铜镓靶材呈现蓝色,铟靶材则呈现紫色。

  蒋卓睿:铜铟镓硒4种元素,这道工序占了3个,铜铟镓这3个元素都是在这道工序通过,通过磁控溅射的放大来镀膜上去的。

  蒋卓睿:对,3米多长的一个范围,这是一个横向的方向,我们要保证在纵向的方向上也要均匀,只有这样的话,才能保证一个整片的玻璃,在横向上纵向上均匀。

  在四套靶材的作用下,玻璃基板被均匀镀上了铜铟镓,送往下一个环节,这次调整后的数据,超出了蒋卓睿他们的预期。

  蒋卓睿:这个是我们调完过后的一个分析报告,我们预想的就是我们的工艺窗口,大概是在5%的范围内就可以了,现在恐怕能做到4%左右,这个是越往上,越难以突破的一个瓶颈。因为它是4片玻璃同时进行镀膜,就是很大的一个面积,如果你一直在比方说这个本子这么大的一个面积上去镀膜的线%以内,甚至更低都可以控制,但是如果你是4片玻璃,每片玻璃都有1米多长,这么大一个,整个4米多长的这样一个范围内,去做这个溅射的线%以内的话,可以说世界上非常领先,非常先进的一个技术。

  在这里,一条生产线兆瓦光伏玻璃,一年的产量可以安装在200万平方米幕墙、屋顶,发电3.4亿度,足够10万个家庭使用一年。

  主持人:你看这普通的玻璃基板上涂上发电膜层,就可以发电了,真的是很神奇。可以说玻璃在日常生活中是无处不在,几乎是我们天天都能看到,但是你见过这个厚度只有0.12毫米吗?0.12毫米是一个什么概念呢?就比如一张A4打印纸的厚度是0.095毫米,也是就是说这玻璃仅比一张A4纸厚那么一点点,那么这种玻璃是干什么用的呢?

  这里是我国第一个浮法玻璃新技术国家重点实验室,一项超薄玻璃的落球试验正进行。这是目前这里能工业化生产的最薄玻璃,厚度为0.12毫米,曹欣和同事要把重50克的钢球从1米,自由落体砸向超薄玻璃,这样的冲击力相当于一辆家用轿车以时速150公里的速度撞击到墙上的冲击力。

  60厘米、70厘米、100厘米。钢球从一米高处,自由落体,落到超薄玻璃上,玻璃完好无损。

  曹欣:实际上我们这边的质量,控制在50克在70厘米左右的冲击,就已经能够满足我们这个使用要求了。

  曹欣:这个落球试验的话,我们一般对单片玻璃的线次的这个重复性的测试,如果都是完好无损的话,说明它批量就过了我们这个测试标准。

  2018年4月,0.12毫米的超薄玻璃顺利下线,这是目前世界上用浮法工艺生产的最薄的玻璃,是电子信息产业的核心材料,玻璃越薄,透光性越好,柔韧性越好,重量也越轻,如何生产出又薄,又有强度和韧性的玻璃,这是个世界性难题。彭寿,是超薄技术的带头人,从1982年毕业开始,就一直和玻璃打交道,这个0.12毫米的超薄玻璃,是他和几代人共同积累下取得突破的。

  彭寿:你看都可能做到这个样子了,而且这个玻璃还没有处理,所以我为什么说,未来的玻璃要向柔韧化发展,如果我到0.1毫米的时候,我的玻璃可以卷起来了,所以就是说,这种玻璃的薄和玻璃的这样应用,是未来越来越广泛的。所以大家看起来很容易,实际上你用起来可能就在这个手机,你就会看到,就这一小块,实际上是一大块玻璃生产出来的

  彭寿:我们应该说下一步我就准备,要攻克0.1毫米这种柔性玻璃,而且这个攻克了,可以这样讲,在世界上是没有人能做出来的。

  彭寿:我深深感受到了,就我们认为搞玻璃也是一样,我们30多年,我们几代人努力的结果,就这一片0.12(毫米)玻璃,我是六年才能把它拉引出来的,而且经过上万次的,这种原料的这个研究试验,不断地做,一天都要做几十次几百次,你才可以的。

  制造超薄玻璃,得把调配好的原料从这里送入熔窑,进行熔化,一进入这个厂区,人就像进入了桑拿房一样,空气中的温度高达60多度。

  彭寿:你看这炉子里的温度,1600度,比炼钢温度还高,这里面是什么?就把玻璃液一定要在炉子里给它融化,而这个炉子呢?既要在里面融化又要保温,不能让能耗向外辐射。

  彭寿:就像我们煮饭呀,大家经常有个习惯,一大锅饭煮完以后,我们以前父母亲拿筷子中间捣几下,目的干嘛?就是排气,排泡的就让它更加均匀。我们这也需要一些诀窍,比如说我们用的鼓泡啊,用气往上吹,然后让它们咕噜咕噜这样第二个吹完以后又产生气泡,怎么把它消掉,我们要加一些消泡剂来保证,既要融化好又要把气泡消灭掉,这样玻璃液才达到这么高的质量。

  宽10米的熔窑被分为几个温区,从既要升温再到降温,再到出窑,温差仅为正负两度,这就必须要进行精细控制,控制差一丝一毫都将影响玻璃的质量,甚至导致整条产线停产。每隔半小时工作人员都要到现场进行一次巡检,用专门的工具测量窑内不同区域的温度,这是中国自主研发的技术,自主研制的设备。

  彭寿:这是一个在三大热工设备上最关键的设备。最关键的这叫熔化,这个熔化这里面的奥妙,就在于整个炉子的设计,它需要能很好的把它的工艺参数体现出来。

  早在上个世纪五十年代末,欧洲就研发了浮法技术,但是却对中国进行了封锁。所有超薄玻璃,中国都需要从国外进口,直到2013年中国研发突破了超薄玻璃,打破了国外垄断,而广泛应用于手机、电脑屏幕等超薄玻璃是最关键的信息显示材料。占显示屏的总成本的40%。熔化好的玻璃液还要经过一个关键的环节,就是成型。拉边车间里,左右两侧28对拉边机同时发力拉动玻璃液成为薄薄的玻璃。这些密布着管线的拉边机正是生产超薄玻璃的核心装备。

  彭寿:拉边机咬着牙齿咬得它,然后顺着这个拉边向前的方向,既有向前顺的方向,又有往边上拉的这个正向反向,这样就保持它一个动态平衡。

  彭寿:对,所以这样子从生产过程中间来说,这个东西原先,这个拉边机我们中国也不能生产,现在都是我们自己自主知识产权做出来的。

  密密排布的拉边机看起来一样,但是参数却完全不同。生产的玻璃越薄,启用的拉边机就越多。在中控室的监控屏幕上我们可以清楚看到,不同位置的拉边机运转的速度力度都不相同,靠近熔窑的拉边机运行速度几乎看不出来,而越往后拉边机的运转速度就越快。

  任红灿:你看这个你看不到动。但是这个你看它在动,是不是?你往后看越来越快越来越快。

  任红灿:对,这边是明显速度加快了,不同的拉边的这个动作,把玻璃逐步逐步拉薄。

  玻璃工艺,温度控制是其中的关键参数,在整个流程中,几百个中控点,不能出现任何纰漏,否则就会影响玻璃的质量,经过四十多年的研发,从1.1毫米到0.7毫米,从0.33毫米再到0.12毫米,这样的超薄,在中国不仅自主突破了这一技术还成为世界上唯一一个能够用浮法工艺生产0.12超薄玻璃的国家。

  彭寿:如果我们不能攻克这块超薄玻璃,那我们肯定必须进口,因为信息显示是我们国家未来发展方向,也是全球的发展方向,我们信息显示通过什么来实现呢?是要通过触摸屏,通过我们的显示屏来实现的,就是大家所用到的我们这个显示屏、电视,我们这个ipad,我们的手机等等这些,但是这些是国家的战略性产业,而这些应用很广的东西,如果你作为它的核心支撑材料,你自己不能生产,那就变成了我们叫大国重器核心不在自己手上。

  大尺寸、功能化、超薄,高透过率,这是玻璃材料的发展方向,今天,中国已经能够规模化生产几十种功能玻璃,涵盖高层建筑、新能源、光学器件、交通运输等多个领域。其中光伏玻璃的产品产能位居世界第一。

  曹欣:这一批就是我们能够做的,就是各种各样的颜色玻璃,当然这个最主要的,是用于我们的这个建筑装饰成玉石状的玻璃,这个是我们做的这个微晶玻璃,它可以用于深海的某些领域。

  曹欣:对,还有耐腐蚀能力很强,这个是我们制备的电子信息用的,这个0.7毫米的高铝盖板玻璃,主要用于触摸屏的这个保护,以及一些汽车玻璃,就是用的高铝玻璃,但是耐划伤,比较抗摔、抗砸,这样的话在使用的安全性更高一些。

  中国科学技术的突破和创新使超薄玻璃的国际市场价格降低了三倍。但眼下,技术人员已经不满足0.12毫米的超薄玻璃。曹欣正和同事们攻关0.1毫米的超薄玻璃,达到这种薄度的玻璃,未来就可以卷起来,这是第347次试验,按照比例盛好原料,放入熔化炉,设定好温度,调整好摄像头,可以在电脑上看见熔化炉里的变化,气温不断升高,原料慢慢熔化,开始出现蜂窝一样的图案。

  曹欣:这块儿黑色的是我们的玻璃液,最终我们要实现把所有的气泡,都排除到玻璃液之外来提高我们玻璃液的质量。

  曹欣:对,因为现在是1340度,它已经产生大量气泡,正在不停地往外运动。

  气泡是玻璃最主要的缺陷,气泡越少,玻璃液越纯净,生产出来的玻璃质量就越好,曹欣他们正在调整配方的比例,进一步优化工艺参数,以满足未来工业化生产的需求。

  曹欣:我们会有一个整套的,工业化转化的这个标准化流程,大概有30几项标准工艺参数,我们需要去调整,我们不断在攀爬极薄过程中间,变得极端制造的这么一个山峰,然后这个山峰是每前进一步,就是越接近于我们的理论极限,难度会越来越大。

  彭寿:这个材料是我们的,大国重器中的重中之重,所以我觉得国家重视材料的研究,而材料,又有一个问题,它不是一天就能做出来的,它需要有几代人的努力,几代人的耕耘,也需要我们这些做科技人员的坚守,才能做出来。

  主持人:进入二十一世纪,材料被视为现代科学技术的支柱之一,某种意义上来说,未来世界会变成什么样子,人们将过上什么样的生活,这都与我们材料的发展有密切的关系,我们先来看几张图片,这里面有飞机、自行车、小提琴、球拍、汽车配件、旅行箱……涵盖了从航空航天到新能源汽车,从运动器材到乐器,可谓五花八门、应有尽有。不过他们共同使用到的同一种材料,那就是碳纤维。那为什么这种材料会应用的如此广泛,它拥有怎样的优越性呢?今天我们就带您见识一下这种前沿的新材料。

  小提琴演奏家盛中国曾经演奏的这首《白毛女》,高音清澈明亮,极富穿透力,中音丰满圆润,纯净柔美,低音浑厚深沉,如泣如诉。他手上的这把小提琴,可不是传统的云杉、枫木等名贵材质制作的,而是用新材料碳纤维打造而成。

  盛中国所用小提琴的材料就来自这里。这是国内最大的碳纤维企业。这一天,公司迎来一位韩国客商,他想把中国的碳纤维引入韩国。

  韩国KG碳素株式会社社长金龙根:这种中国连云港产的碳丝,中国威海蓝科产的碳布,韩国鲁江生产的滑雪杖用在平昌冬奥会,国外选手用它取得了好成绩。现在我们已经知道中国碳丝的知名度在这里,我们要把碳丝的市场扩大到韩国这边。

  韩国市场每年需要碳纤维5000吨,金龙根所在的贸易公司占其中的20%。正是看中了中国碳纤维产品在平昌冬奥会上的表现,金龙根希望借这一契机扩大中国碳纤维在韩国的市场份额。

  金龙根:现在是高科技时代,连云港的产品质量是可以跟国外知名品牌媲美的。

  看好中国碳材料的海外客商越来越多。波特巴克,来自荷兰。他所在的企业是全球最大的复合材料不饱和树脂公司。

  力联思树脂集团全球运营总裁伯特·巴克:我想说,在整个全球碳纤维的供应市场上来讲,欧美企业还是占主导地位,但是中国追赶的速度是非常快的,我更看重中国市场这种蓬勃发展的潜力。尤其是目前中国新能源汽车的发展。引领全球形势下,融合碳纤维市场和汽车轻量化解决方案,中国将有更大的市场和发展空间。

  碳纤维这种材料,比重不足钢的四分之一,强度却是钢的7到10倍,被称为新材料之王,也被称为黑色黄金。它重量轻、强度高、耐腐蚀,被广泛应用于航空航天、新能源汽车、体育器材等方面。早在上个世纪60年代,碳纤维就开始在西方国家得到应用,1975年,我国开始布局攻关碳纤维,历经30多年,直到2012年才突破了关键技术,成为继美国、日本以后世界上第三个拥有这项技术的国家。

  这是我国第一条千吨级T700碳纤维生产线。T是英文拉伸强度的第一个字母,T后面的数字越大,表示强度越高。目前,现在世界上最强的碳纤维达到了T1100。碳纤维成丝前是液态的,由液态变成丝是碳纤维生产最核心的环节,也是所有企业都不会对外开放的地方。我们只被允许拍到局部。

  技术人员:我们用手电筒来看一下,这底下一丝一丝发白的亮晶晶的喷出来的细流,那个细流就是我们喷出来的丝,这个细流从喷丝板喷出来以后直接到下面的液体里。

  借助手电筒的微光可以看到,在直径只有15厘米的喷丝板上,无数条细线密密匝匝向下流淌,这就是获得国家科技进步一等奖的干喷湿纺技术,也就是中国碳纤维发展数十年的核心技术。

  技术人员:你看这个液面和喷丝板之间有一个间隙,这就是干喷湿纺的干喷所在,干喷了就是它喷出来在空气层,空气层我们认为是一个干段,湿纺就是说进入液体里面,这个叫湿纺。

  技术人员:对,这个有点像挤面条,这一个小小的空气层,我们花费了3年多的时间才把它攻克。

  技术人员:对,喷丝板它并不厚,但是里面有数十级的分配系统,就是把我们的原液由这个点然后分配到一个面上,保证这个面上的压力和浓度,温度都是一致的,能保证我们喷出来的4000根丝是均匀一致的。

  刚刚喷出来的丝线根这样的丝线厘米这样的线束,经过多级水洗,水牵、上油、蒸汽牵伸等十几道工序,原丝要经过200多米工序缠绕成卷,在200多米的行程里,大大小小300多个滚轴拉动着丝线不断向前,这些滚轴的表面精度和安装精度都必须达到10微米,要确保每根丝线不断不粘连,还要均匀瘦身,每个环节的温度、水的流量,滚轴运动的速度都经过精细的测算。原丝将在这个车间进行碳化,这是保证碳纤维强度和刚度的关键环节,要想让每根直径12微米的原丝均匀的进行高温氧化碳化,这就要求输送出去的252根丝线张力必须一致,靠的就是张力控制装置。

  技术人员:你看这里就是每一个它在不断的升降,它是跟随每束丝,它的实时张力波动作出调整,如果张力过紧它就往上来一点,如果张力过松,它就往下压一压,使它处在一个稳定的状态。

  252根丝线个张力控制装置。每束丝线根原丝,这些丝线就像跳舞一样,伴随着张力控制装置上下调节,丝线的旅程还没有结束,他们要在200多度的氧化炉中进行氧化,完成一个美丽的蜕变。

  技术人员:它的颜色递变是非常漂亮的,从白色逐步变成那个浅黄,一直到最后的褐色

  技术人员:我们在氧化炉里,通过热空气把它加热到200到300度的温度,引发它一个化学反应,纤维在炉子里是来回走的,随着时间的推移,氧化程度逐渐加深

  技术人员:这个白色是纤维刚进来,它还没有开始氧化,走过一层回来就变成浅黄色了。

  每根丝线米的氧化炉里来回往复地走上11次。经过的次数越多,氧化的程度越深。这么大的氧化炉内温差要控制在正负5度,只有这样每根丝线才能均匀。

  技术人员:只有氧化均匀了,它的结构才能稳定,只有结构稳定了,才能在后续碳化的时候结构不被破坏,因为碳化的温度比较高,会到1000度以上,如果内部结构不稳定,到后面很快就烧没了。

  经过氧化、高温碳化之后,碳纤维复合材料制作完成。从直径50微米的原丝瘦身为直径只有7微米的黑色丝线。

  技术人员:这个比头发丝的十分之一还要细,你可以看一下,拉开之后可以看到非常细小的单丝。

  技术人员:这都是并在一起的,想把它拉出一根单丝还是比较困难的,即使拉开也是很难看到的,不要小看这么细的纤维,它的强度和模量是非常有优势的。

  100多项工序、300多项关键技术,3000多个工艺参数,反应温度从5度到2800度不等,经过十多个系统的集成,强度高、重量轻、耐高温、耐腐蚀的黑色黄金碳纤维制作完成。卷绕成4公斤的纱锭送往世界各地,应用于航空航天、汽车、运动器材等领域。今天,中国能够生产T700、T800、T1000等不同强度的碳纤维材料。10年前,连T300这种级别比较低的产品都需要从国外进口。

  张国良:现在产量还远远满足不了国内市场。我们现在产品销售非常紧张、供应不了市场,这种情况肯定不行,我们后面就是要快速扩大规模,满足国家重大需求,把产业做好,让这个产业在国内市场站得住,在国际市场也要站得住,参与国际市场的竞争。

  目前,中国的碳纤维市场需求量20000多吨,预计到2025年将达到10万吨,国际市场需求将达到20万吨,碳纤维材料在多个行业里的应用正在不断扩大。远在四川成都这个工厂里用新型碳纤维制作成的气瓶正在做高压爆破试验。测试人员把一个长115厘米,周身缠绕碳纤维丝的氢气瓶放入一个深1米多的坑道里,即将进行爆破试验。这种气瓶用于清洁能源车,需要格外关注压力带来的变化。

  技术人员:做爆破过程中,需要不断增加它的压力,直到气瓶爆破,达到设计图纸规定的105兆帕,然后算是合格的。如果低于105兆帕表示气瓶有问题,不合格。试验开始,准备注水。

  中材科技成都有限公司质量部试验主管帅路文:今天的爆破很理想。从目前我们的瓶身来看,它是爆破瞬间把铝的胆给撕裂了,满足我们的标准。我们的设计要求是大于或等于105兆帕,从往常来看,基本上是110到120左右,现在算是117兆帕,因为我们的做过疲劳测试的,已经达到22500次了,所以说超过预期。

  技术人员:现在正在缠绕表面,内胆是钢内胆,钢内胆外面加强强度缠绕的是碳纤维。

  这采用的是全缠绕的方式,主要用来装氢气或者天然气,安全是第一要素。每个气瓶红色的内胆上总共要缠绕16公斤碳纤维,而过去用的是玻璃纤维。

  中材科技成都有限公司制造总监邓斌:我们这个工艺更新了以后,在同样的容积我的会比人家轻20%到30%的重量,因为碳纤轻、强度高,强度优于我们现有的玻纤。那么在整个重量上它会减轻下来。减重后的气瓶装在车上面,重量越轻对我们车辆运行、燃料损耗都有好处。

  一辆重型卡车,需要装8个这样的气瓶。重量比以前使用玻璃纤维减轻1吨左右,现在碳纤维气瓶从无人机用的28米长的无人机氢气瓶到2.2米长的重卡天然气瓶,再到12米长的储运气瓶,中国都有生产,而且已经销往海外。

  主持人:碳纤维这种前沿新材料正在清洁能源、运输、电力等新兴战略产业得到更多更广泛的应用,被称为材料皇冠上的明珠。新材料是材料工业发展的先导,是重要的战略性新兴产业,很多国之重器会因为材料的创新完成了核心的突破。比如说陶瓷,大家第一首先会想到餐具、很多的制品,易碎品。今天跟大家说的这种陶瓷却极为坚硬,仅次于金刚石,重量仅为钢的三分之一,是一种特殊的新材料,这种坚硬的陶瓷究竟是用来做什么呢,又是怎么生产制造出来的呢?

  宋志平刚刚从国外考察回来,带回来的是眼下国际上最前沿的材料科技信息,其中他最感兴趣的材料就在这里。

  中国建材集团董事长宋志平向记者介绍到:你看这个小框框里,琳琅满目的实际上产品都是最尖端的一些材料。这个就更有意思了,这个是氮化硅陶瓷的。

  宋志平手中的这个黑色滚珠是用在轴承里的,它可不是传统钢制的,而是陶瓷制成的。

  宋志平:过去都是钢制轴承,但你知道在快速转动下会发热,就会在里面加润滑油,再快点,润滑油也是受不了的。那么这个陶瓷球的话,在摩擦的情况下就不会那样发热,而且转速可以达到1分钟60万转。普通轴承2万转就可以,这种可以转到60万转。所以这种轴承在战斗机、一些特殊的情况下我们需要耐高温的、快速旋转的。

  用在战斗机上的轴承可不是一般装备,转速是普通轴承的30倍,还不用润滑油,这种特殊陶瓷的奥秘究竟在哪里?孙峰,正在察看最新一批准备出口德国的陶瓷球。工人们正在进行表面无损检验。在孙峰眼里,特殊陶瓷的产生就是一个由粉变钢的神奇魔术。陶瓷球的原料,是由制作玻璃的硅砂、经过特殊工艺加工的氮化硅、具有一定的硬度。氮化硅粉经过喷雾造粒,进入磨具后才能制作成陶瓷球。

  中材高新氮化物陶瓷有限公司常务副总经理孙峰:它最关键的地方在雾化器和这个喷枪,决定了分体的颗粒大小,颗粒大小决定了流动性和松装密度。

  这个喷枪决定了颗粒的粒径大小,粒径尺寸的分布决定着陶瓷球的致密度,直接影响着陶瓷球的硬度、密度和使用寿命。

  孙峰:显微镜下是球状,具有很好的流动性,能把模具填实,大概在50微米到200微米的小球,准备压制成型的时候用。

  成千上万的小颗粒被压制成1毫米至50.8毫米不等的陶瓷坯,而能否制成硬度仅次于金刚石的陶瓷球,关键还在烧结。

  孙峰:都说决定陶瓷性能的就是一把火,我们这虽然不是火,但是使电,这也是决定陶瓷致密性的最关键的工序之一。

  烧结炉里,正在生产为德国新能源汽车上用的陶瓷球,要经过20多个小时的烧结才能完成。在2000个大气压下,用1800度高温结出来氮化硅陶瓷球是目前世界上性能最好的热等静压陶瓷球,硬度接近金刚石。

  孙峰:我们这个设备有个诀窍,就是怎么提高它的温度场的均匀性,保证一整炉的产品性能差异不大,上下区温差非常小。

  烧结陶瓷就像烧菜一样,火候不够,菜炒不熟。陶瓷硬度达不到;火候过了,就炒老了,陶瓷球容易变脆。

  温场差别太大,一炉子的陶瓷球烧结不均匀,有的温度不够、有的温度太过,废品太高。而温度控制是决定氮化硅陶瓷的核心机密,涉及到热力、热工、材料、机械等多个学科,上百个工艺参数,是最大的技术难关。

  孙峰:很难,这里面的结构改造用了很多很多这个试验才得出来,后来我们不断改进,基本上接近1度以内了。

  烧结炉内的温度在稳步上升,温场的温差始终控制在正负三度以内。十年磨一剑,孙峰他们才像大厨一样娴熟地掌握手中这把炉火,对炉内的温差进行了精确的控制,关键技术的突破,让这里加工生产的陶瓷正不断打开国际市场。

  孙峰:这是11.906磨出成品,这是给美国出口的给风力发电机使用的陶瓷球。

  孙峰:这个是磨34.925的,他要求保持25年的使用寿命,所以他这个现在对这个陶瓷球的质量要求,比以前高很多了。

  烧结完成的陶瓷球已经具有极强的硬度,但是如何承受每分钟60万转的高速运转?这些特制的研磨机磨削工具全部用金刚石打造完成,在这里经过200小时不间断磨削,再经过几十小时的抛光,陶瓷球被打磨成表面粗糙度只有0.05微米。此时,陶瓷球的摩擦系数极小,摩擦阻力是普通钢球的五分之一,这正是陶瓷球自润滑、耐摩擦的秘密所在。

  孙峰:日本东芝、美国阔斯泰跟中国咱们这个球实际上在市面上是一个水平的球,但是差距在哪儿呢?一个是我们相对他们进入国际市场时间比较短,知名度还比较低;再一个我们的产能比他们还小一些,需要保证这个供货。现在国际客户需求量远大于国内,因为他们做的高端装备,很多用陶瓷球做轴承做传动。

  给德国、美国、意大利生产的订单在紧锣密鼓的加工中,2017年中国生产的热等静压陶瓷球达1000万颗,市场需求正在以每年120%的速度增长,预计到2020年市场需求将达到1亿颗,是现在的十倍。

  主持人:未来两年市场有十倍的增长需求,这对于刚进入这一前沿新材料市场的中国企业来说,提出了一个新的要求,扩大产线、实现自动化、提高产量。材料是制造的基础,也是升级的核心,今天大家看到的超薄玻璃、碳纤维、氮化硅陶瓷这些高端的前沿新材料,每一个都是历时40多年才站到了世界前列。我们要看到差距、任重道远,还需要扎扎实实努力,把这些核心材料掌握在自己手中,为建设制造强国打好坚实的基础。


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