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清华大学魏飞教授:为下一代材料贴上中国标签

来源:新材料在线|

发表时间:2021-09-03

点击:26930


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《大国之材》原创文章,转载请联系微信:EILIG2014

新材料在线 ID:xincailiaozaixian

图片:受访人提供、图虫创意


小说《三体》中,主人公汪淼研发的武器——飞刃,既可以吊起一辆大卡车,又可以将一艘巨轮切成“扑克牌”。据小说描述,飞刃是一种超高强度的纳米材料,直径只有头发丝的百分之一。


虽然“吊卡车、切巨轮”的场景只有小说里有,但现实中,科学家也研制出了类似的材料——碳纳米管。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料,主要由呈六边形排列的碳原子共价键构成同轴圆管。


这种材料最先从石墨电弧法制备C60的产物中发现,1991 年,日本电子公司(NEC)的电镜专家饭岛澄男在石墨阴极上的碳沉积物中发现了纳米尺度的多层管状物,并将碳纳米管投射照片发表在Nature杂志上。此后,在不到三十年时间里,碳纳米管的宏观拉伸强度就达到了目前最好碳纤维的十倍,韧性达到了蜘蛛丝的40倍,碳纳米管受到了科学界的广泛关注。


2013年,清华大学教授魏飞团队成功研制出单根长达半米的碳纳米管,并且创造了新的世界纪录。


在魏飞的愿景中,碳纳米管的未来就如同《科学美国人》杂志中提到的场景:利用碳纳米管制作一根太空天梯,可以使人类沿着天梯直接从地球通往太空。人类可以通过它向空间站运输物资,甚至能随时到太空旅游。


“国际学术会议20年前就讨论碳纳米管是超强、超韧的下一代材料。”魏飞在接受《大国之材》采访时表示,正因如此,魏飞及其课题组在2000年左右开始了碳纳米管的研究工作。


接下来,魏飞希望将碳纳米管应用在下一代计算机芯片中,创造出更多的奇迹。


01

“毕生奉献”为国家


“学识渊博术业精,立足展望皆顶峰。只因胸中抱负在,毕生奉献为化工。”这是清华2009级直博生张如范写给导师魏飞的诗句,也是对他在清华大学近30年教学科研工作的最好总结。


“我们高校就应该寻找新的方向,为国家的未来发展起作用。”问及当初为何会选碳纳米管作为研究方向,魏飞表示,在他看来解决国家和社会问题是工科人的基本想法。


事实上,将其学生的诗句改为“毕生奉献为国家”同样合适。从事基础研究以来,魏飞及其团队就在时刻诠释着“毕生奉献为国家”这句话。


2000年前后,魏飞结识了碳纳米管的发现者饭岛澄男,历经多次思想碰撞后,魏飞确定了碳纳米管的研究方向,并偏向以实际应用为主。“我们当时觉得这个东西要是不能实际应用,你做它干什么?”


批量生产是碳纳米管从实验室走向实际应用的重要一步。“在成功将碳纳米管批量化生产后,我们才发现找到的这个应用点是错的,后来又调整,想别的办法。”



在多次调整、讨论、试验后,魏飞及团队确定了和一些电池企业的合作,尝试将碳纳米管作为储能材料导电添加剂加入到锂电池的正级中。根据测试结果,添加了碳纳米管的锂电池循环次数增加30%-50%,能量密度提高8%。


这一技术成果正好赶上了智能手机和电动汽车蓬勃发展的时代,应用端的变化对锂电池的性能提出了更高要求。“我觉得这个事是占据了天时地利人和,不是一个纯技术的成功,我们承认我们有技术上的优势,但是这个优势能够得到发挥的原因其实是跟国家产业链发展相关。”魏飞诚恳表示道。


顺势而为,魏飞团队与合作单位一起成功创建了世界最大的千吨级碳纳米管生产企业,实现了万吨级锂电池导电浆料的产业化,广泛应用于智能手机与电动车中。


02

打造科技成果产业化样本


其后,魏飞团队又制备出世界上最长的单根碳纳米管和拉伸强度达到到80GPa以上的超长碳纳米管管束。


在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项的支持下,2018年,魏飞团队与同为清华教授的李喜德团队合作研究,在超强碳纳米管纤维领域取得突破,在世界上首次报道了接近单根碳纳米管理论强度的超长碳纳米管管束的制备。


2007年前后,魏飞及团队与杜邦、GE合作,成功进行了百公斤级的工业试验样品测试。也正因如此,他们吸引了海外风投的注意力。


“当时美国研究碳纳米管的团队、企业很多,市场的热闹程度不亚于前几年中国的石墨烯市场,但那家风投能从几百家团队中找到我,说明我们还是靠谱的。”魏飞笑着说。



将视线拉回国内,与魏飞团队一直进行“产学研用”合作的天奈科技可以说是一个科技成果产业化的成功样本。


“由学校原创、研发,结合国内市场本土优势,用企业的经营方式把原创概念做成稳定量产的产品,然后通过这个产品改变中国在锂电池、动力电池的地位,我认为这是一个很有借鉴和代表性的案例。”魏飞对其团队与天奈科技就碳纳米管导电浆料的合作总结道。


魏飞表示,在高端材料领域中国以前只能是做一个产业股东,先当小弟弟,但天奈科技的成功改变了他对“高端材料一定要依赖国外大公司或投资才能生存”的看法。


从这个案例中,魏飞得出一个结论:国内某些新兴产业发展的时候,研发者要能够结合行业的痛点,要注意本土的优势,这是很重要的“天时地利人和”。


03

产业前瞻性技术亟待突破


魏飞及团队在超长碳纳米管的研究工作展示出了制造超强纤维的光明前景,为发展新型超强纤维指明了方向。这有助于改进目前具有一定生产规模的超强材料,同时也为超强材料的大量制备奠定基础,未来有望在大飞机、大型运载火箭、超级建筑等多个领域大显身手。


从2000年涉足碳纳米管至今,魏飞已在这个行业深耕20年,他见证了行业的发展、壮大,并时刻为其存在的问题担忧。


在魏飞看来,国内碳纳米管行业在专利的数量上远超国外,但大部分产品的性能、稳定性比不上国外大公司生产的产品。再者,专利保护环境差,抄袭问题严重。


“概括来说就是专利很多,但在核心领域的专利不如欧美强国,带来的社会效益远远不可相比。”魏飞总结道,虽然碳纳米管材料属于战略性新兴材料,但国家层面并未出台相关的产业发展战略性规划。“国内一堆人涌上去做,但这种行为更多的是市场的、短期的行为,觉得能赚到钱,所以大家都往这个方向靠,一旦冷下来则无人问津,缺乏长远有规划的研发。”


而在产品安全性的提前规避方面,国内更是一片空白。


魏飞对《大国之材》表示,我国前期在高技术产品对人与社会的安全性是目前我们遇到的新问题,相关的研究及与社会的互动非常缺乏,而中国的产业化进程又十分迅速,很多问题没有提前研究与布局做规避和公开说明,国际上关于纳米材料安全性的讨论热度不断,但这只是一个很广泛的概念,目前碳纳米管在国内外的使用非常广泛,这更应该由一个具有公信力的部门牵头对安全性、合规性做一些调研及说明。


进一步来说,碳纳米管市场之所以还在野蛮发展阶段,也是国家需求不足、高端市场牵引不够。对于追求科技创新和性能突破的产品来说,其发展可能与当前市场需求是不匹配的,但作为国家战略制高点,还是必须得有人去做。


“国家要在材料上强大,还有相当长的路要走,产业界和教育界应该相通,要让青少年就明白产业界的东西是什么。”魏飞着重强调,未来要更加看重对青少年的培养,因为只有训练一批有科研报国、产业报国理想的人才,我们国家的科技力量才会更加强大,下一代材料才有可能被印上“中国标签”。


【个人介绍】


魏飞,1984毕业于石油大学炼制系有机化工专业,1990年获石油大学有机化工博士学位。清华大学化学工程系教授,绿色反应工程与工艺北京市重点实验室主任。中国颗粒学会能源颗粒材料专业委员会主任,发表论文600余篇,SCI他引4万余次,是汤森路透近四年材料领域高被引科学家之一,也是Elsevier化工高被引学者。获教育部“长江学者”特聘教授、国家杰出青年基金等。


目前已成功实现气固下行床催化裂化、纳米聚团床批量生产碳纳米管、高速湍动床甲醇制芳烃、苯胺、氯乙烯、丙烯腈、间苯二腈等30台新概念反应器产业化,研究成果获国家科技进步二等奖(2002年、2008年)、中石化科技进步一等奖、教育部自然科学、技术发明一等奖。


一纸记载,满腔情怀,欢迎指正

THE END




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