世界用上了中國(guó)“黃金薄膜”

　　“未來(lái)，高速列車永磁牽引電機(jī)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，我們正在開發(fā)下一代薄膜產(chǎn)品。”在日前舉行的“2025全國(guó)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“時(shí)代華鑫”）總經(jīng)理、首席專家張步峰博士作主題報(bào)告時(shí)透露。

　　張步峰所說的薄膜，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(yáng)”，卻是戰(zhàn)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(guó)防軍工等高端領(lǐng)域，都離不它。我國(guó)曾持續(xù)對(duì)其制造工藝進(jìn)行攻關(guān)，然而50余年未有成果。

　　“以前，別人賣給我們多少材料，我們才能造出多少輛列車。而當(dāng)我們制造出這種薄膜后，想造多少輛列車，就都能自己做主！”時(shí)代華鑫董事長(zhǎng)湯海濤在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說。

　　破局：“買家”變成了“賣家”

　　5月24日，時(shí)代華鑫的一間千級(jí)潔凈廠房中，幅寬2100毫米的高性能PI薄膜智能產(chǎn)線滿負(fù)荷運(yùn)行。

　　計(jì)量好的原材料被自動(dòng)“投喂”到產(chǎn)線機(jī)器中，伴隨著輥軸以每分鐘近30米的速度高速旋轉(zhuǎn)，在催化劑和脫水劑作用下，經(jīng)低溫聚合反應(yīng)，制成的薄膜從鋼帶上緩緩剝離。

　　“2024年12月發(fā)布的CR450動(dòng)車組樣車，其永磁牽引電機(jī)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(jī)運(yùn)行的可靠性。”張步峰說。

　　看似不起眼的薄膜，一度扼住了我國(guó)列車制造和鐵路發(fā)展的“咽喉”。

　　時(shí)間回到2010年前后，我國(guó)鐵路建設(shè)迎來(lái)高峰期?！拌F路線開通后需要大量列車投入運(yùn)營(yíng)，但能造多少輛列車，不是中國(guó)說了算。因?yàn)榱熊嚨摹呐K’——牽引電機(jī)，需要用高性能PI薄膜作絕緣材料，而當(dāng)時(shí)這種材料只能依靠進(jìn)口。”湯海濤解釋，“換句話說，我國(guó)列車生產(chǎn)數(shù)量取決于國(guó)外供應(yīng)商愿意賣給我們多少材料?！?/p>

　　20世紀(jì)60至80年代，我國(guó)先后組織專家對(duì)其進(jìn)行科研攻關(guān)，但一直未能取得突破。2004年，團(tuán)隊(duì)開始尋找它的國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品，但在市場(chǎng)上難覓蹤跡。2010年，作為買家的他們，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——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，但實(shí)踐證明這條路行不通?！睆埐椒逭f。

　　原來(lái)，美國(guó)杜邦公司對(duì)其自主研發(fā)的耐電暈PI薄膜“三層結(jié)構(gòu)”啟動(dòng)了全方位***保護(hù)，這一“封鎖”使得我國(guó)只能嘗試制造單層結(jié)構(gòu)的高性能PI薄膜。和國(guó)內(nèi)其他制膜廠家一樣，張步峰團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用熱亞胺法制造出的單層結(jié)構(gòu)高性能PI薄膜，雖然外觀上與國(guó)外產(chǎn)品相差不大，但在應(yīng)用可靠性方面卻相差甚遠(yuǎn)。

　　其后，團(tuán)隊(duì)果斷開啟化學(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(tái)。這一次，他們獲得了成功，形成了完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高可靠性耐電暈PI薄膜制備技術(shù)路線。

　　2017年，我國(guó)***條幅寬1542毫米的化學(xué)法高性能PI薄膜生產(chǎn)線建成，并于次年正式投產(chǎn)?！霸谶@一制約中國(guó)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(guó)產(chǎn)高性能PI薄膜，正逐步在我國(guó)航天航空和艦船動(dòng)力等領(lǐng)域?qū)嵤﹪?guó)產(chǎn)化替代。

　　突圍：掀翻厚度“天花板”

　　隨著時(shí)代華鑫突破了化學(xué)亞胺法制造單層結(jié)構(gòu)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)代華鑫參觀展陳區(qū)，記者看到，一卷200微米厚度的散熱PI薄膜樣品靜靜陳列著。經(jīng)2700℃高溫?zé)?，它可被制成世界?**厚、達(dá)100微米的人工石墨膜。由石墨膜制成的柔性導(dǎo)熱人工石墨片，是筆記本、智能手機(jī)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(guó)杜邦、日本鐘淵化學(xué)和韓國(guó)SKC等三大***企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，一舉成為三星公司新產(chǎn)品的獨(dú)家供應(yīng)商，并吸引了蘋果、華為、小米、OPPO等越來(lái)越多的廠商尋求合作。

　　究竟是什么讓時(shí)代華鑫的散熱PI薄膜獲得國(guó)內(nèi)外知名手機(jī)制造商的青睞，讓世界用上了中國(guó)的“黃金薄膜”？

　　“我們不斷突破行業(yè)對(duì)這類薄膜厚度的‘定義’，成為了標(biāo)準(zhǔn)制定者?！睆埐椒逭f。

　　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?zé)Y(jié)后膨脹也越快，這讓超過75微米厚度的散熱PI薄膜燒結(jié)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薄膜燒制過程中內(nèi)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(tuán)隊(duì)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(diào)控氣體的釋放速度，成功解決了超厚PI膜石墨化過程中排氣困難等行業(yè)難題。

　　2019年，團(tuán)隊(duì)在全球率先開發(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***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發(fā)出了導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)2000W/(m·K)以上的超級(jí)導(dǎo)熱人工石墨用PI原膜，將傳統(tǒng)材料導(dǎo)熱系數(shù)提升了70%，并且***厚可達(dá)230微米，持續(xù)引領(lǐng)著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

　　解困：產(chǎn)線全面國(guó)產(chǎn)化

　　在時(shí)代華鑫廠區(qū)，我國(guó)第二條2100毫米超大幅寬化學(xué)亞胺法生產(chǎn)線正在抓緊組裝產(chǎn)業(yè)設(shè)備。與其已有的兩條產(chǎn)線不同的是，這是一條從設(shè)計(jì)到設(shè)備制造、工程化、生產(chǎn)技術(shù)全面實(shí)現(xiàn)“中國(guó)造”的產(chǎn)線。

　　時(shí)代華鑫在***條化學(xué)亞胺法制膜產(chǎn)線建設(shè)時(shí)，曾購(gòu)置了國(guó)外廠家的核心制膜裝備。然而，在調(diào)試過程中，他們發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)問題的并非他們“做好心理準(zhǔn)備”的國(guó)產(chǎn)設(shè)備，而是進(jìn)口的核心制膜裝備。

　　如果說***次的產(chǎn)線建設(shè)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，則彰顯了時(shí)代華鑫走上單線產(chǎn)能突破之路的決心。

　　當(dāng)時(shí)，國(guó)外同行相同幅寬的產(chǎn)線年產(chǎn)能僅為600噸。憑借對(duì)制膜工藝和裝備技術(shù)的全面掌握，團(tuán)隊(duì)大膽進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新，使單線年產(chǎn)能在全球首次突破800噸。這一新的裝備技術(shù)升級(jí)，不僅讓公司迅速縮小了與國(guó)外同行的規(guī)模差距，更讓中國(guó)在全球高性能PI薄膜生產(chǎn)中擁有了同幅寬單線年產(chǎn)量***高的產(chǎn)線。

　　兩次產(chǎn)線搭建的經(jīng)歷，讓團(tuán)隊(duì)深刻認(rèn)識(shí)到，裝備國(guó)產(chǎn)化是保障高端戰(zhàn)略原材料供應(yīng)鏈安全的***路徑?！拔覀円獜氐捉鉀Q潛在風(fēng)險(xiǎn)！”張步峰說。實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化后，新產(chǎn)線整體制造成本預(yù)計(jì)比此前降低了60%。同時(shí)，新產(chǎn)線大幅縮短了從核心設(shè)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(guó)產(chǎn)化產(chǎn)線基本組裝完成，即將進(jìn)入調(diào)試。”張步峰表示。

　　“時(shí)代華鑫通過自主創(chuàng)新，解決了我們國(guó)家50多年都未能攻克的技術(shù)難題，打破了國(guó)外的長(zhǎng)期技術(shù)壟斷?！敝袊?guó)工程院院士蹇錫高評(píng)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(xiàn)了突破。了不起！”