這是一片全球最大尺寸的三維織物復合材料葉片，將用于國產(chǎn)大型客機的發(fā)動機。它由碳纖維復合材料和鈦合金組成，線條優(yōu)美，曲面復雜。近日，在上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺看到了它的“婀娜身姿”。
這款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的葉片由中國航空發(fā)動機龍頭企業(yè)設計、同濟大學和南京玻璃纖維研究設計院制造，已獲10項發(fā)明專利授權(quán)和3項軟件著作權(quán)，繞開了GE等國外企業(yè)構(gòu)筑的知識產(chǎn)權(quán)壁壘。中國航空學會鑒定委員會認為，其整體達到國際先進水平，部分技術(shù)國際領先，具有很好的應用推廣前景。
“2020年與石墨烯平臺合作后，我們僅用一年多時間就建成了航空發(fā)動機風扇葉片的生產(chǎn)系統(tǒng)。”同濟大學教授賀鵬飛說。上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺是一家新型研發(fā)機構(gòu)，它與高校合作，為何會加快科研成果的產(chǎn)業(yè)化進程？
石墨烯平臺位于寶山高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)，根據(jù)《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動方案》，這里正在打造未來材料產(chǎn)業(yè)。在材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈上，中試是重要一環(huán)。高校研發(fā)的新材料通過中試才能進入產(chǎn)業(yè)化階段，但高校實驗室不具備開展中試的條件，為了填補從實驗室到生產(chǎn)線之間的空白，石墨烯平臺應時而生。在市發(fā)改委、市科委、寶山區(qū)等支持下，這家旨在推動產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)與轉(zhuǎn)化的機構(gòu)已建成一系列中試基地，供科研團隊使用。
同濟大學航空航天與力學學院賀鵬飛教授團隊就是其中之一。與石墨烯平臺合作前，他們與一家航天國企合作試制航空發(fā)動機風扇葉片，但對企業(yè)來說，這只是“額外工作”，完成日常生產(chǎn)之余才能給他們使用設備和場地，所以中試進展比較緩慢。
2020年夏天，賀鵬飛在寶山區(qū)科委推薦下拜訪了石墨烯平臺。這里的中試基地以及與多所高校合作的成功案例，讓他相中了這家新型研發(fā)機構(gòu)。雙方牽手后，同濟科研團隊得到一個約1000平方米的中試基地。石墨烯平臺還出資近1000萬元，采購了多臺制造和測試設備。人員方面，5位平臺員工協(xié)助中試，包括項目建設、環(huán)評、生產(chǎn)安全、原材料采購等所有綜合服務保障工作。
“這就是科技成果轉(zhuǎn)化‘CTO+CEO模式’，讓科學家做中試項目的CTO（首席技術(shù)官），我們公司的項目經(jīng)理做CEO（首席執(zhí)行官）。”石墨烯平臺董事長梁勇說，“有了項目經(jīng)理團隊的服務，科學家可以更專注地解決技術(shù)問題。”
“三明治結(jié)構(gòu)”繞開國外專利
走進中試基地，同濟大學副教授李文曉介紹了航空發(fā)動機風扇葉片的制造過程。“這是高溫壓機，同濟實驗室里放不下這么大的設備。”“那是我們研發(fā)的非等溫RTM模具系統(tǒng)。RTM（樹脂傳遞模塑）是一種用外壓把樹脂注入纖維材料編織成的預制體內(nèi)，再固化形成構(gòu)件的工藝。”
在非等溫RTM模具系統(tǒng)的真空環(huán)境中，通過精確的控溫和控壓，基體樹脂被注射到鈦合金與碳纖維混合結(jié)構(gòu)預制體內(nèi)，隨后加溫固化，打造成形狀精準、結(jié)構(gòu)復雜的“復合材料鈦合金混合結(jié)構(gòu)”風扇葉片。在制造過程中，石墨烯平臺生產(chǎn)的石墨烯納米材料也有用武之地，提升了材料的強度和韌性。
“這款風扇葉片的部分結(jié)構(gòu)像三明治，與國外大公司設計的‘復合材料+金屬包邊結(jié)構(gòu)’不一樣，避開了它們的知識產(chǎn)權(quán)壁壘，解決了風扇葉片設計和制造的卡脖子問題。”李文曉說。令人欣喜的是，中試基地生產(chǎn)的風扇葉片在減重效果上與“復合材料+金屬包邊結(jié)構(gòu)”葉片不相上下，而且能滿足抗鳥撞等適航要求。
近年來，渦扇航空發(fā)動機的風扇系統(tǒng)占總重量的比重不斷提升，所以制造大尺寸的輕質(zhì)風扇葉片，已成為渦扇發(fā)動機的關鍵技術(shù)之一。在工業(yè)和信息化部支持下，同濟大學攻克了輕質(zhì)風扇葉片的制造關鍵技術(shù)，并與石墨烯平臺聯(lián)手實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。目前，中試基地的風扇葉片年產(chǎn)量可達100片。
“先投后股”支持高科技企業(yè)
為加速科研成果的產(chǎn)業(yè)化，石墨烯平臺還將通過“先投后股”，完成上海鵬霄復合材料科技有限公司的增資擴股。這家企業(yè)去年成立于寶山區(qū)，由同濟科研團隊創(chuàng)立，其產(chǎn)品就包括航空發(fā)動機風扇葉片。鵬霄公司還在探索將高性能復合材料應用于其他領域，如新能源汽車、儲氫設備、風力發(fā)電葉片等。
“先投后股”是指針對科技成果轉(zhuǎn)化項目，前期以支持項目方式向企業(yè)投入財政資金，在企業(yè)進行股權(quán)融資時，將所投入的資金轉(zhuǎn)化為股權(quán)，并由國資企業(yè)持有，伴隨企業(yè)成長一段時間再執(zhí)行股權(quán)退出的支持模式。
在鵬霄公司成長過程中，石墨烯平臺投入大量資金，采購了中試設備，并為中試生產(chǎn)和企業(yè)運營提供了一系列服務。根據(jù)項目入駐協(xié)議，平臺將獲得中試成果的部分收益。同濟團隊通過讓石墨烯平臺成為鵬霄公司的創(chuàng)始股東，使這部分收益落地；再通過后續(xù)融資把公司估值放大，為平臺帶來收益。
“我們很看好鵬霄公司的發(fā)展前景。”梁勇表示，因為航空發(fā)動機風扇葉片位于高性能復合材料產(chǎn)業(yè)鏈的頂端，參考美國同類產(chǎn)品，一片葉片的售價預計高達30萬元左右。在新能源汽車、風力發(fā)電等很多領域，高性能復合材料也有廣闊的應用推廣前景。新型研發(fā)機構(gòu)與高校科研團隊聯(lián)手推動成果轉(zhuǎn)化和企業(yè)孵化，實現(xiàn)了雙贏。
《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新高地發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動方案》指出，高性能復合材料屬于未來材料產(chǎn)業(yè)集群，要在浦東、寶山、金山等區(qū)域提升產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化承載能力，持續(xù)攻關航空發(fā)動機用金屬基復合材料等技術(shù)。
近日，我國首套萬噸級48K大絲束碳纖維生產(chǎn)線在金山區(qū)投產(chǎn)，給高性能復合材料產(chǎn)業(yè)鏈帶來了利好。業(yè)內(nèi)將每束根數(shù)大于4.8萬根（簡稱48K）的碳纖維稱為大絲束碳纖維，其生產(chǎn)成本僅為小絲束碳纖維的一半左右。“國產(chǎn)大絲束碳纖維可用于汽車、氫能、風電等民用領域，價格比進口大絲束碳纖維便宜，這對鵬霄公司今后的發(fā)展很有利。”李文曉的話語中，透著對上海未來材料產(chǎn)業(yè)的憧憬。
