“未來(lái)，高速列車(chē)永磁牽引電機可能采用新一代碳化硅功率芯片控制，這要求薄膜具有更高的耐溫性和耐電暈壽命。為此，我們正在開(kāi)發(fā)下一代薄膜產(chǎn)品?！痹谌涨芭e行的“2025全國石油和化工行業(yè)科技創(chuàng )新大會(huì )”上，湖南株洲時(shí)代華鑫新材料技術(shù)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“時(shí)代華鑫”）總經(jīng)理、首席專(zhuān)家張步峰博士作主題報告時(shí)透露。
張步峰所說(shuō)的薄膜，名為高性能聚酰亞胺（PI）薄膜。薄膜通體金黃、薄如蟬翼，雖看起來(lái)“其貌不揚”，卻是戰略性新材料“金字塔尖”的材料。電子信息、軌道交通、航空航天和國防軍工等高端領(lǐng)域，都離不它。我國曾持續對其制造工藝進(jìn)行攻關(guān)，然而50余年未有成果。
“以前，別人賣(mài)給我們多少材料，我們才能造出多少輛列車(chē)。而當我們制造出這種薄膜后，想造多少輛列車(chē)，就都能自己做主！”時(shí)代華鑫董事長(cháng)湯海濤在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。
破局：“買(mǎi)家”變成了“賣(mài)家”
5月24日，時(shí)代華鑫的一間千級潔凈廠(chǎng)房中，幅寬2100毫米的高性能PI薄膜智能產(chǎn)線(xiàn)滿(mǎn)負荷運行。
計量好的原材料被自動(dòng)“投喂”到產(chǎn)線(xiàn)機器中，伴隨著(zhù)輥軸以每分鐘近30米的速度高速旋轉，在催化劑和脫水劑作用下，經(jīng)低溫聚合反應，制成的薄膜從鋼帶上緩緩剝離。
“2024年12月發(fā)布的CR450動(dòng)車(chē)組樣車(chē)，其永磁牽引電機上就用了我們的高性能PI薄膜。這種薄膜既耐高溫又耐電暈，保障了電機運行的可靠性?！睆埐椒逭f(shuō)。
看似不起眼的薄膜，一度扼住了我國列車(chē)制造和鐵路發(fā)展的“咽喉”。
時(shí)間回到2010年前后，我國鐵路建設迎來(lái)高峰期?！拌F路線(xiàn)開(kāi)通后需要大量列車(chē)投入運營(yíng)，但能造多少輛列車(chē)，不是中國說(shuō)了算。因為列車(chē)的‘心臟’——牽引電機，需要用高性能PI薄膜作絕緣材料，而當時(shí)這種材料只能依靠進(jìn)口?！睖忉?zhuān)皳Q句話(huà)說(shuō)，我國列車(chē)生產(chǎn)數量取決于國外供應商愿意賣(mài)給我們多少材料?！?/p>
20世紀60至80年代，我國先后組織專(zhuān)家對其進(jìn)行科研攻關(guān)，但一直未能取得突破。2004年，團隊開(kāi)始尋找它的國產(chǎn)替代產(chǎn)品，但在市場(chǎng)上難覓蹤跡。2010年，作為買(mǎi)家的他們，被逼走上自主研發(fā)之路。
制造高性能PI薄膜主要有兩條技術(shù)路線(xiàn)——熱亞胺法和化學(xué)亞胺法?！?013年，我們建成了一條熱亞胺法制膜生產(chǎn)線(xiàn)，但實(shí)踐證明這條路行不通?！睆埐椒逭f(shuō)。
原來(lái)，美國杜邦公司對其自主研發(fā)的耐電暈PI薄膜“三層結構”啟動(dòng)了全方位專(zhuān)利保護，這一“封鎖”使得我國只能?chē)L試制造單層結構的高性能PI薄膜。和國內其他制膜廠(chǎng)家一樣，張步峰團隊應用熱亞胺法制造出的單層結構高性能PI薄膜，雖然外觀(guān)上與國外產(chǎn)品相差不大，但在應用可靠性方面卻相差甚遠。
其后，團隊果斷開(kāi)啟化學(xué)亞胺法的探索。2015年，他們搭建起化學(xué)亞胺法制膜中試平臺。這一次，他們獲得了成功，形成了完全自主知識產(chǎn)權的高可靠性耐電暈PI薄膜制備技術(shù)路線(xiàn)。
2017年，我國第一條幅寬1542毫米的化學(xué)法高性能PI薄膜生產(chǎn)線(xiàn)建成，并于次年正式投產(chǎn)?！霸谶@一制約中國高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵高分子材料制造領(lǐng)域，我們不再技不如人，也不再受制于人！”湯海濤倍感自豪。
如今，他們制造出的國產(chǎn)高性能PI薄膜，正逐步在我國航天航空和艦船動(dòng)力等領(lǐng)域實(shí)施國產(chǎn)化替代。
突圍：掀翻厚度“天花板”
隨著(zhù)時(shí)代華鑫突破了化學(xué)亞胺法制造單層結構高性能PI薄膜的工藝，散熱PI薄膜的制造也迅速取得成功。
在時(shí)代華鑫參觀(guān)展陳區，記者看到，一卷200微米厚度的散熱PI薄膜樣品靜靜陳列著(zhù)。經(jīng)2700℃高溫燒制，它可被制成世界上最厚、達100微米的人工石墨膜。由石墨膜制成的柔性導熱人工石墨片，是筆記本、智能手機等電子終端散熱的核心材料。
時(shí)代華鑫制造的散熱PI薄膜，竟在與美國杜邦、日本鐘淵化學(xué)和韓國SKC等三大頂尖企業(yè)的競爭中脫穎而出，一舉成為三星公司新產(chǎn)品的獨家供應商，并吸引了蘋(píng)果、華為、小米、OPPO等越來(lái)越多的廠(chǎng)商尋求合作。
究竟是什么讓時(shí)代華鑫的散熱PI薄膜獲得國內外知名手機制造商的青睞，讓世界用上了中國的“黃金薄膜”？
“我們不斷突破行業(yè)對這類(lèi)薄膜厚度的‘定義’，成為了標準制定者?！睆埐椒逭f(shuō)。
2018年以前，用于制造人工石墨膜的散熱PI薄膜的厚度“天花板”是75微米?！氨∧ぴ胶?，熱通量越大，散熱也越快。但薄膜越厚，經(jīng)高溫燒結后膨脹也越快，這讓超過(guò)75微米厚度的散熱PI薄膜燒結出的石墨膜容易粉化，無(wú)法成型?！睆埐椒褰忉尩?。
石墨的膨脹主要由PI薄膜燒制過(guò)程中內部產(chǎn)生的氣體釋放引起。想要避免這種劇烈膨脹，就必須想辦法讓這些“無(wú)處可逃”的氣體快速釋放。
為此，團隊發(fā)明了碳納米管改性薄膜技術(shù)，巧妙利用碳納米管的中空特性和石墨層間的搭橋特性，有效調控氣體的釋放速度，成功解決了超厚PI膜石墨化過(guò)程中排氣困難等行業(yè)難題。
2019年，團隊在全球率先開(kāi)發(fā)出了90微米以上的超厚型產(chǎn)品，可制備出50微米以上的高功率人工石墨膜。
一代材料，一代裝備。材料的突破，推動(dòng)了裝備的革新。
厚度的突破，讓人工石墨膜從最先僅用于功率器件輔助散熱，逐步成為了金屬均熱板的“替代者”。2024年，時(shí)代華鑫在全球再次率先開(kāi)發(fā)出了導熱系數達2000W/(m·K)以上的超級導熱人工石墨用PI原膜，將傳統材料導熱系數提升了70%，并且最厚可達230微米，持續引領(lǐng)著(zhù)行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。
解困：產(chǎn)線(xiàn)全面國產(chǎn)化
在時(shí)代華鑫廠(chǎng)區，我國第二條2100毫米超大幅寬化學(xué)亞胺法生產(chǎn)線(xiàn)正在抓緊組裝產(chǎn)業(yè)設備。與其已有的兩條產(chǎn)線(xiàn)不同的是，這是一條從設計到設備制造、工程化、生產(chǎn)技術(shù)全面實(shí)現“中國造”的產(chǎn)線(xiàn)。
時(shí)代華鑫在第一條化學(xué)亞胺法制膜產(chǎn)線(xiàn)建設時(shí)，曾購置了國外廠(chǎng)家的核心制膜裝備。然而，在調試過(guò)程中，他們發(fā)現，出現問(wèn)題的并非他們“做好心理準備”的國產(chǎn)設備，而是進(jìn)口的核心制膜裝備。
如果說(shuō)第一次的產(chǎn)線(xiàn)建設讓他們多少有些意外，那么2018年啟建2100毫米超大寬幅薄膜生產(chǎn)線(xiàn)，則彰顯了時(shí)代華鑫走上單線(xiàn)產(chǎn)能突破之路的決心。
當時(shí)，國外同行相同幅寬的產(chǎn)線(xiàn)年產(chǎn)能僅為600噸。憑借對制膜工藝和裝備技術(shù)的全面掌握，團隊大膽進(jìn)行設計創(chuàng )新，使單線(xiàn)年產(chǎn)能在全球首次突破800噸。這一新的裝備技術(shù)升級，不僅讓公司迅速縮小了與國外同行的規模差距，更讓中國在全球高性能PI薄膜生產(chǎn)中擁有了同幅寬單線(xiàn)年產(chǎn)量最高的產(chǎn)線(xiàn)。
兩次產(chǎn)線(xiàn)搭建的經(jīng)歷，讓團隊深刻認識到，裝備國產(chǎn)化是保障高端戰略原材料供應鏈安全的唯一路徑?！拔覀円獜氐捉鉀Q潛在風(fēng)險！”張步峰說(shuō)。實(shí)現全面國產(chǎn)化后，新產(chǎn)線(xiàn)整體制造成本預計比此前降低了60%。同時(shí)，新產(chǎn)線(xiàn)大幅縮短了從核心設備制造到投產(chǎn)的時(shí)間，生產(chǎn)效率得到極大提升。
“目前，時(shí)代華鑫的超大幅寬高性能聚酰亞胺（PI）薄膜的全國產(chǎn)化產(chǎn)線(xiàn)基本組裝完成，即將進(jìn)入調試?！睆埐椒灞硎?。
“時(shí)代華鑫通過(guò)自主創(chuàng )新，解決了我們國家50多年都未能攻克的技術(shù)難題，打破了國外的長(cháng)期技術(shù)壟斷?！敝袊こ淘涸菏垮垮a高評價(jià)道，“他們不僅在技術(shù)深度上有積累，更在自主技術(shù)創(chuàng )新的高度上實(shí)現了突破。了不起！”
?。ㄎ?俞慧友）
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