ホームページ >

「新材料の王」を突破した炭素繊維

2023/2/11 13:51:00 48

炭素繊維

➤我が国は現在、多数のシリーズとクラスの炭素繊維の国産化を実現し、高性能炭素繊維の自主保障問題を解決し、日本、米国に続いて3番目に高性能炭素繊維技術を掌握した国となった

➤国産炭素繊維は国外の技術、装備、製品の三重封鎖を撃破し、無から有へ、人に支配された背後からの脱却を実現し、我が国の科学研究力と工業力の長期的蓄積を見ることができ、国を挙げた体制の強大な優位性も観察することができる

➤2021年以来、炭素繊維企業は商売が繁盛し、利益が上昇し、しかも資本の愛顧、融資が絶えない。しかし、複数の業界関係者の目には、炭素繊維業界には依然として基礎研究、産業発展の秩序を失う潜在的な危険性が存在している


炭素繊維と36年間付き合ってきた「材料人」として、徐梁華氏は「炭素繊維は『首をつった』新材料リストから初歩的に撤去された」と喜んでいる。

この北京化学工業大学材料科学・工学学院教授、国家炭素繊維工学技術研究センター主任は「展望」ニューズウィークに対し、我が国は現在すでに複数のシリーズとクラスの炭素繊維の国産化を実現し、高性能炭素繊維の自主保障問題を解決し、日本、米国に続いて3番目に高性能炭素繊維技術を掌握した国となった。

「新材料の王」と呼ばれる炭素繊維は、国民経済と国防建設に不可欠な戦略的新材料である。特に製造業にとって、それは重点的に解決する必要がある量的に広い先進的な基礎材料であり、また発展を制約する重要な戦略材料であり、上下流の産業チェーンは我が国の新材料産業体系の再構築に極めて重要である。

国産炭素繊維は国外の技術、装備、製品の三重封鎖を撃破し、無から有へ、人に制された背後からの脱却を実現し、我が国の科学研究力と工業力の長期的蓄積を見ることができ、挙国体制の強大な優位性も観察することができる。

炭素繊維の自強進撃の物語は、国が産業安全の自主制御を強調している今日では特に興味深い――工業・情報化部が2018年に全国30社以上の大手企業130種以上の重要基礎材料を調査した結果、32%の重要材料は依然として空白で、52%が輸入に依存していることが分かった。

鉄の靴を踏み破って得た炭素繊維の繁栄は、技術先行の旗をどのように高く翻し続けるのか。炭素繊維を代表とする中国の新材料は、どのようにしてより良い産業革新生態を構築し、将来の産業安全と国際競争優位を確保するのか。

吉林化学繊維グループ国興炭素繊維会社の生産現場で、労働者が炭素繊維の原糸を整理する(2022年10月31日撮影)顔麟埋蔵

  炭素繊維「天険」を乗り越える

多くの人のイメージでは、炭素繊維の性能は不思議で高価で、「神壇」上の材料である。

このような炭素含有量が92%を超える繊維材料は、炭素材料の強い引張力と紡績繊維材料の柔軟な加工性を兼ね備え、ポリアクリロニトリル繊維、粘着繊維、アスファルト繊維などの有機繊維が高温で炭化して得られる。

炭素繊維は髪の毛のように細く、鴻毛のように軽い。その直径は約5 ~ 7ミクロンで、10本ほど合わせて1本の髪の毛が太い。しかも密度は鋼の1/5、チタンの2/5、アルミニウムの3/5しかなく、軽量特性を持っている。

繊細で軽量な炭素繊維でありながら、鋼鉄のように強い。1束の標準12 K(1 Kは1束の炭素繊維糸中に1000本の原糸を含むことを示す)ポリアクリロニトリル基炭素繊維は、約130 kgの重量に耐えることができる。特に摂氏3000度の無酸素高温では、他の繊維はとっくに灰になっていたが、炭素繊維は無事だった。

炭素繊維の優れた力学性能に加え、耐食性、抗酸化性、さびないなど多くの他の材料を塵にも及ばない能力を加え、樹脂、金属、セラミックス、コンクリートなどの材料に補強材料として加えて複合材料を構成することが多く、その名に恥じない次世代補強繊維の王である。

炭素繊維の国内初の市場化応用は1972年に発売された炭素繊維強化樹脂釣り竿である。その後、炭素繊維の応用はハイエンド工業製造と先端科学技術分野に拡大し、現在、航空宇宙、風力発電ブレード、燃料電池、スポーツレジャーなどの広い分野で活躍している。

繊維トウの大きさに応じて分類すると、炭素繊維は小トウ(≦24 K)と大トウ(>24 K)の2種類に分けることができる。小トウ生産技術の制御は難しく、価格が高く、通常は国防軍需産業、航空宇宙分野に用いられる。大糸束の生産コストが低く、性価比が高く、主にクリーンエネルギー、建築工事などの工業用民間分野に用いられる。

山東大学高分子材料研究所所長であり、炭素繊維のベテラン専門家である朱波氏によると、炭素繊維は「素質」のある材料である。「21世紀は炭素の時代であり、炭素繊維は初めてその任に当たると言われている。ある意味で、炭素繊維は第4次産業革命の重要な支持材料の一つになるだろう。間もなく到来する星間航行、クリーンエネルギー、人工知能の時代において、炭素繊維と炭素繊維複合材料はますます重要な役割を果たすだろう」と述べた。

外観が細く、用途が広い炭素繊維であるが、その開発・製造は非常に困難である。

朱波氏によると、炭素繊維装備技術は材料学、化学、紡績学、機械自動化など多くの学科を一体化し、高度に交差し、極めて複雑なシステム工学である。原料添加剤の品質から、原糸及び炭化の各工程に至るまで、大量の基礎研究、技術及び装備などの「首締め」技術が含まれている。製造だけを例にとると、そのプロセスには100以上の細分化工程が含まれており、2千以上の制御パラメータが含まれており、各制御点のパラメータの変化は連鎖反応を引き起こし、さらに製品の品質の変動を引き起こし、さらには失敗する可能性がある。

原糸の品質は炭素繊維の性能を決定する。朱波氏によると、炭素繊維の性能は原糸のミクロ構造形態と原子配列規則性に大きく依存しており、原糸の分子構造と凝集状態構造に欠陥があれば、炭素繊維の品質と性能に大きな影響を与える。

さらに厳しいことに、原糸の性能を安定させるには、糸1本1本の品質を確保する必要がある。「1束の標準12 Kの炭素繊維を例にとると、その12000本の糸はすべて品質が信頼できる。試行錯誤し、試行錯誤してこそ、比較的科学的で合理的な技術組み合わせを見つけることができる。鍛え直す手間がなく、高性能炭素繊維は作れない」とジュボ氏は言う。

難しい製造技術は、炭素繊維を材料学者の前に横たわる「天険」にする。関連技術を独占する日米両国は、炭素繊維に対して厳格な特許保護と包括的な技術封鎖を実施している。「通知的な値上げ、賜物的な供給」は、当時の国際炭素繊維市場の姿だ。

中国は日米の炭素繊維技術、装備、製品の3つの封鎖の下で、世界の炭素繊維の構造を変えた--2005年、光威復材(光威グループ傘下の威海光威複合材料株式会社、以下光威)開発されたCCF-1級(日本の東レのT 300級炭素繊維に相当し、Tは高強度型炭素繊維を指し、後の数字が高いほど強度が良いことを示している)炭素繊維は国家「863計画」炭素繊維特別検査を通じて、我が国が成功した技術路線を模索し、初めて独自の産業化炭素繊維を保有したことを示している。

その後、国産化された炭素繊維は猛進し、放量建設を進め、「無から有へ」後の「小から大へ」の躍進を図った。広州賽奥が発表した「2021世界炭素繊維複合材料市場報告」によると、2021年の国内炭素繊維の稼働生産能力は6.34万トンで、世界総生産能力の20.76万トンの30.5%を占めている。同時に、我が国は初めて米国を超えて世界最大の炭素繊維生産能力国となった。

中国はすでに世界の炭素繊維版図の第3極となっている。

  科学研究に力を与え、実験室の重要技術を突破する

これまで、我が国の炭素繊維研究は無名を理由に、長い間さまよってきた。

徐梁華氏は国内の炭素繊維研究の低迷期に炭素繊維に接触した。「それは1986年で、我が国がPAN基炭素繊維の開発を開始してから十数年が経った」。

PAN基炭素繊維はポリアクリロニトリル炭素繊維とも呼ばれ、炭素繊維の主要品種であり、生産量は炭素繊維総量の90%以上を占めている。

徐梁華氏によると、我が国のPAN基炭素繊維の開発は基本的に海外と同期しており、初期の差は大きくなく、底も薄くないと言うべきだが、2000年まで、国内のPAN基炭素繊維の製造技術は依然として長く攻められず、海外との差も広がっている。「炭素繊維の市場需要は非常に差し迫っており、使いたいのに供給できない気まずい状況にある」。

徐梁華氏は、長期的な徘徊の背後には、科学技術の投入が少ない、ブロック分割の障害がある、技術の蓄積が足りないなど多くの要素があるが、最も重要なのは、材料業界が炭素繊維に対する認知から科学研究までの力が不足しており、国産化の主流技術を見つけることができなかったことだと考えている。「もっと根っこに言えば、基礎研究が足りないということだ」

徐梁華氏は、我が国は前世紀に炭素繊維の基礎研究があるとはほとんど言えなかったと説明した。「企業はもちろん、大学や科学研究院も企業の工事問題の解決に力を入れており、コアな基礎研究に関心が欠けていた。1990年代になると、単純に技術研究に没頭することに問題があることに気づき、基礎研究、基礎研究に戻り始めた」。

原糸からこのPAN基炭素繊維を製造する技術的な鍵を例に、徐梁華氏によると、当時、国内にはジメチルスルホキシド法の製造技術があったが、構造分野での炭素繊維の製造には役割を果たしていなかった。「これは私たちが技術を十分に理解していないことを示しています。最後に言えば、私たちが基礎研究に力を入れていることが足りない、蓄積が足りない、功力が足りないということです」

徐梁華はチームを率いて向きを変えて基礎研究を狙った。「私たちはおよそ2、3年の基礎研究を行い、炭素繊維を高分子材料と見なし、基礎的な科学問題に回帰し、高分子材料の客観的法則に従い、複雑な問題を単純化した。それ以来、私たちは正しい方向を探し、急速に発展してきた」と徐梁華氏は述べた。

2000年、徐梁華チームは国内のPAN基炭素繊維原糸技術の主流技術であるジメチルスルホキシド法の新技術を突破することに成功した。「我々が実験室の段階で突破したこの技術は、プロセスが多少粗雑であるにもかかわらず、構造材料用国産高性能炭素繊維の『有無』問題を解決するために技術的基礎を築いた」。

  メカニズムが助力し、エンジニアリング化された「死の谷」を出る

基礎研究が暗い時間になった後、炭素繊維の工学化研究が日程を上げた。

科学研究革新チェーンにおいて、科学技術成果は実験室から産業化までの間に重要な工程化の一環があり、実験室を貫通する技術が試験品を獲得し、量産できるかどうかなどの問題の解決に力を入れている。

その中で、「死の谷」と呼ばれる中間試験は工事化のカギとなる。「業界では1:10:100という言葉があります。つまり、科学研究段階で1つの問題を解決すれば、中間試験段階で10の問題を解決し、工業化段階で100の問題を解決しなければならないということです」と朱波氏は言います。

彼は、科学研究では、技術的な難題や理論的な導きを解決すれば、突破とも重大な突破とも言えるが、中間試験には些細な技術問題が1つ1つ解決しなければならないことが多く、少しでも油断すれば中途半端になる可能性があると説明した。「この一環では、科学者は前に進めないことが多く、企業家は後ろに退くこともできないことが多い。この段階は非常に苦しく、非常に難しく、しばしば国家政策、資金の助力が必要であり、国家プラットフォームの支持は極めて重要である」。

炭素繊維のエンジニアリング化の困難な経路を打開することは、国の「863計画」などの支持を得ることにつながる。

2001年、当時83歳の戦略科学者で両院院院士の昌緒氏は、上書党中央がこれを国の「863」特別項目に指定し、炭素繊維の発展を指導することを推進した。

2002年、国家「863計画」炭素繊維特別プロジェクトが正式にスタートし、1億元の研究開発資金を投入した。その後、国家自然科学基金も炭素繊維に経費支援を行った。「中国の炭素繊維の重要な技術の難関突破はこれによって運動エネルギーを獲得した」と徐梁華氏は述べた。

徐梁華氏は当時、科学技術部が設立した炭素繊維重要技術専門家グループの副チーム長も務めていた。彼の紹介によると、「十五」期間中、国の「863計画」炭素繊維特定項目の主導の下で、我が国は北京化学工業大学、中国科学院山西石炭化学研究所(以下、中国科学院山西石炭化学所)、山東大学の3つの相対的に集中した研究開発基地を形成し、いくつかの高レベル炭素繊維と複合材料の研究開発プラットフォームを構築した。「炭素繊維の研究開発は大協同の技術体系として研究を開始し、それぞれの自走局面を打破した」。

メカニズムの変化は徐梁華に特に深い印象を与えた。

徐梁華氏によると、2005年の第1弾高性能炭素繊維のエンジニアリング化から、当時の国防科学技術工業委員会(現国家国防科学技術工業局)は技術推進から需要牽引に変わる一貫したプロジェクト管理プロセスを初めて使用した。

これまで材料研究者は研究を行い、多くは研究そのものから出発し、材料を作って、文章を出すことができて、特許があれば仕事を終えることができて、職名を評価して、賞を受賞して、「帽子」を取ることができて、規模化と工事化などのユーザーが気にすることを考慮する必要はありません。需要牽引は異なっており、研究開発者は応用の角度に立って炭素繊維の製造を見る必要があり、研究しなければならない。

「これは研究開発者の思考と理念を深く変えた。炭素繊維の開発生産はあくまでもある分野の応用のためであり、白研究に等しいほど研究されていないからだ。理念が変わると、考え方が大きく変わる。このモデルの模範的な意義は大きく、その後、国内の重要な材料もこのモデルを採用した」と徐梁華氏は述べた。

「863計画」炭素繊維特定項目は国有、民営などの戸別の見解を捨て、公平な競争方式で評価ランキングのリード者にプロジェクトを負担させることは、大きな創始的なやり方である。

炭素繊維分野で有名な民間企業、光威が頭角を現した。

光威復材の盧鈞鈞董事長は記者に、光威はもともと山東威海にある釣り竿生産企業で、師昌緒が提唱したサンプリングブラインド測定法のおかげで、炭素繊維の「ナショナルチーム」に加入したと伝えた。

盧鈞鈞氏によると、サンプリングブラインドテストは後に広く採用された評価方法であり、専門的に構成されたサンプリング専門家グループが現場でサンプリングし、サンプルを統一的に番号付けし、指定された第三者の試験単位に送ってテストしたが、試験単位はサンプルの出所を知らなかった。「この新しい評価モデルによって、光威は優れた製品性能によって、評価順位がリードして『863計画』炭素繊維特定項目に入選した」。

全国規模のプロジェクト管理戦略の下で、参加病院と企業は密接に協力し、PAN基炭素繊維トン級試験線、百トン級試験線を相次いで突破した。

「これは我が国が国産T 300級炭素繊維の核心技術を突破したことを宣言し、我が国も世界で少数の高性能炭素繊維の工学化の重要技術を掌握する国の一つになった」と盧鈞鈞氏は述べた。

中国は炭素繊維についてようやく議論される資格を備えた。

  企業の努力、産業化の難局を突破する

次から次へとやってくるのは、国産炭素繊維の生産量を高め、品質を高める重要な戦いである産業化である。

ルテニウム氏によると、2005年に乾いたT 300級炭素繊維を車に例えると、シャリーが最も多く、運転できるが、BMWとは比べ物にならないという。ましてシャリーからBMWまで、中にはフォルクスワーゲンなど多くの車があり、高性能炭素繊維も複数のモデルがある。「より良い製品を作るのは容易ではありません。高性能炭素繊維製品のアップグレードは、重要な技術の難関に触れず、重要な装備の突破に触れないものはありません」。

光威対標東レT 800級炭素繊維のQZ 5526を例にとると、その製造難易度はGQ 3522より大幅に向上した。「技術はともかく、QZ 5526に必要な炭化炉を開発・製造するだけで、光威は億元の資金を投入し、前後3年を費やした」と盧鈞鈞氏は紹介した。

技術的な圧力よりも大きなのは資金的な圧力だ。

当時の「金を燃やす」という話になると、盧鈞鈞は胸がどきどきした。「千トン生産ラインは操業開始1日ごとに百万以上がなくなり、効果が見られず、金は水の流れのようになった。数千万の設備は、使えないと言えば使えない、スクラップを売るしかない。光威の創始者である陳光威氏でさえ、企業家の神経を最も試練しているのは、彼が一気にいくら投資したかではなく、彼が巨額の資金を投入し続けた後、産出を見ていないのに、毎日「お金を燃やし続ける」と言っていた」

巨大な資金投入、長いリターンサイクル、光威の資金チェーンをほぼ断絶させた。「2012年になると、銀行はすでに光威に融資をしようとしなかった。高性能炭素繊維を開発するために、光威は長年の蓄積を費やしただけでなく、すべての漁具生産の工場や設備、さらには注文をすべて担保にして、資金を融通したこともある」と盧鈞均氏は述べた。

光威の「九死に一生」の炭素繊維の研究開発過程は孤例ではない。中復神鷹の張国良、恒宝株式の銭雲宝などの炭素繊維分野の有名な企業家は、炭素繊維の難関攻略で苦労し、ほとんど家財を使い果たしたことがある。

幸い、国内の工業力の奮発的な努力を経て、我が国はついに工業用炭素繊維の産業基礎を構築し、市場で生存と発展できる企業を形成し、しかも相当な程度で、全面とシステムの国産化を実現し、大部分の技術はすでに自主研究開発と順方向設計の高いレベルに入った。

国際炭素繊維価格が「崩壊」する:2009年から2014年の5年間で、T 700という工業級炭素繊維の価格は従来の1/3に下がり、高性能炭素繊維の価格は以前の1/10に下がる。

中国第一汽車集団有限公司と中国航天科技集団有限公司が共同で自主開発した高強度炭素繊維車体を持つ国産雪車。図は一汽の国産雪車研究開発現場(2022年1月20日撮影)張建摂

  研究の減速、産業の秩序喪失の二重の懸念

2021年以来、炭素繊維企業は商売が盛んになり、利益が上昇し、資本の愛顧、融資が絶えない。

しかし、多くの業界関係者の目には、炭素繊維業界には依然として基礎研究、産業発展の秩序を失う潜在的な危険性がある。

我が国はすでに世界最大の炭素繊維生産能力国となっているが、高性能炭素繊維市場では日本の生産量が世界の50%近くを占めている。製品の品質では、我が国はT 700級、T 800級、T 1000級などの高性能製品を生産することができたが、商業化量産はまだ多くない。

これは、我が国の炭素繊維は産業化、規模化に問題はないが、コストと品質の安定において国際業界の大手企業とは依然として差があり、技術、資金、人材に持続的に力を入れ、安定した品質低下を実現する必要があることを意味している。

徐梁華氏は、「国産炭素繊維は相対的にコストが高い。コストが高いのは単なる経済問題ではなく、深層の技術開発が不足している。例えば、生産能力が放出されていない、装備技術がクリアされていない、糊付け剤の割合が高い、繊維合格率が低いなど。高品質、低コストは合理的な技術手段で実現できる。2030年までに炭素繊維の価格を10ドル/キロにするためには、この目標を達成するには技術的に多くのことが必要だと提案しています」

近年の炭素繊維の「美しい時間」は、一部の企業が日々の奮闘を遅らせている。「多くの企業は10年以上前の製造方法を踏襲しており、技術の高度化への意欲と意識は強くない。さらに言えば、数年前に炭素繊維の商売がそれほどよくなかったとき、企業は多少落ち着いて研究をすることができ、この2年は暮らしやすくなり、技術開発はかえって止まってしまった」と徐梁華氏は言う。

さらに徐梁華氏が心配しているのは、「今でも、私たちの炭素繊維の基礎研究力を合わせると、国際的な技術トップ企業には及ばず、完全な重要技術研究に従事する力も萎縮している」ということだ。

朱波もここ数年の同業者の達人はかえって少なくなったと感じた。彼から見れば、炭素繊維技術の進歩の余地は依然として大きく、「天井」までは遠い。「一方で、炭素繊維を作るにはお金がかかりません。一方で、対人、対チームも選ばなければなりません。特に蓄積と潜在力、チーム構造と人材陣を見て、ローリング式、段階的な審査を行います」。

炭素繊維産業の発展が秩序を失ったことも取材を受けた専門家の注目を集めた。

中国科学院山西石炭化所の研究員で炭素繊維チームの責任者である張寿春氏は記者団に、炭素繊維は現在の熱の下で、いくつかの低レベルの繰り返し建設現象が現れ、業界全体のレベルの向上に不利であると述べた。「国内の炭素繊維企業はコア技術、製品の優位性、産業チェーンの配置、知的財産権の保護などの面でまだ不足しており、将来的には十分な市場競争態勢に直面し、特に国際一流の炭素繊維企業と競争する場合、総合的な実力、競争力の不足が現れる可能性がある」

ルテニウム氏によると、2010年以降、地方政府の炭素繊維への情熱は高く、民間企業の熱も高く、国内の炭素繊維生産ラインの放量建設は、最も多い時には全国に40社以上の炭素繊維企業があった。現在、企業の数は大幅に減少しているが、依然として混雑している。「炭素繊維は戦略的な新材料であり、国家の戦略的配置が必要である」。

徐梁華氏は、中国の炭素繊維にはまだ十分な業界競争力がないとみている。「炭素繊維とその複合材料の応用分野はすべて西側諸国が設立したものであり、我が国にはまだ原始的な革新的に開拓された応用分野はない。海外にはない、象徴的な炭素繊維の応用市場を開発した時だけ、業界は本当に競争力があると言える」。

この意味で、複数の取材を受けた専門家は、将来性のあるシステム的な問題を着実に解決することを提案した。「業者は、輸入炭素繊維が滞りなく入ることができれば、企業の既存顧客が流出するのではないかと自問すべきである。私たちの技術はまだ一席を占めているのではないか。産業チェーンの安全は自分の手にかかっているのではないか」。

(注:本文は著者本人の観点のみを代表し、本網とは関係ない)

(文|『展望』ニューズウィーク記者張冉燃)

(出所:中国化学繊維工業協会)

  • 関連記事

研究成果:木材から断熱性と耐火性を抽出した純天然イミテーションガスゲル

新発明
|
2023/2/9 11:52:00
48

ウェアラブル機能服装の研究成果:織物フォーク指に容量式圧力センサ

新発明
|
2023/1/31 2:49:00
105

蓄熱性と耐洗紡績生地の研究新成果参考技術の追加

新発明
|
2023/1/31 2:28:00
77

カラー綿:遺伝子工学方法を利用した多種類カラー繊維綿の育成

新発明
|
2023/1/8 11:51:00
13

カリフォルニア大学の研究により、快適な体温を保つスマートファブリックが発見された

新発明
|
2023/1/5 12:28:00
165
次の文章を読みます

海寧市は回復のチャンスをつかんで紡績服装産業の発展に集中する

2月7日、海寧市の章如強副市長一行はわざわざ中国紡績工業連合会を訪れ、現地の紡績服装産業の状況について交流席を行った