专访 | 长春理工大学王菲：激光×材料，一位激光人的十年“碳”索

从航天飞行器到深海油气管道，一种能回收重复使用、性能卓越的新材料——热塑性碳纤维复合材料，正悄然改变高端制造的格局。面对国外长期技术封锁，长春理工大学王菲教授带领团队花费近10年时间，用激光这把利刃破解了材料成型的终极难题，让中国在先进复合材料制造领域实现了从“跟跑”到“并跑”的关键跨越。也是这项“面向新一代航天运载器热塑性碳纤维复合材料壳体激光原位成型装备”，在众多技术中脱颖而出，获得了“2024年度中国十大光学产业技术-未来奖”。本期专访，让我们一起走进他的科研世界。

 

长春理工大学 王菲教授

用激光“破解”新材料

 

面向新一代航天运载器热塑性碳纤维复合材料壳体激光原位成型装备——王菲教授团队的获奖技术名字很长，在这个长长的名字里，有两个关键名词——热塑性碳纤维复合材料和原位成型。

所谓热塑性碳纤维复合材料，是由碳纤维和热塑性树脂复合而成，其最大特点是可重复加工：加热时软化，冷却后固化，且过程不产生化学污染。相比之下，传统热固性材料一旦固化便不可改变，也无法回收。

但是，这种材料的加工面临两大挑战：一是熔点高，需要瞬时高温；二是熔融后材料变软，必须同步施加高压才能精确成型。

在激光领域深耕多年的王菲教授创新性地采用激光作为热源，通过激光瞬间产生的高温使材料熔融，再通过压辊同步施加高压，使材料在快速冷却过程中完成定型。

“在这个过程中，热传导机制很关键，”王菲指出，“碳纤维能快速吸收激光能量并传递给树脂，使其熔融；在激光停止照射后，又能迅速将热量导走，实现快速冷却。”这种快速的加热-冷却循环，使得材料能够在极短时间内完成成型。

而团队提出的“原位成型”概念，则彻底改变了传统制造工艺。传统方法需要先将材料缠绕成型，再送入固化炉进行长达十余小时的固化；而原位成型技术实现了在同一位置铺放与固化同步进行，不仅大幅缩短了生产周期，也避免了构件在转运过程中的损伤。

为此，面对复杂形状构件的制造难题，特别是在曲率不断变化的区域，王菲团队开发了“超前预测控制”方法。通过预先计算铺放路径和运动状态，系统能够提前调整工艺参数，确保在变速运动过程中仍能实现精准成型。

目前，这项技术已成功应用于高压氢气管道和深海石油天然气管道的制造。王菲团队成为国内唯一掌握该成型技术的团队，其产品在层间剪切强度等指标上达到国际同等水平，在孔隙率等关键指标上甚至更优，实现了真正的国产替代。

热塑性碳纤维复合材料壳体激光原位成型装备

十年攻关，不负家国

 

回忆起这段始于近十年前的研究历程时，王菲教授语气中仍带着一丝感慨。他介绍，团队最早在2015年前后萌生了将热塑性碳纤维复合材料用于航天构件成型的构想，并着手初步探索。至2018年，研究逐渐聚焦，他们清晰识别出两个核心难题：一是变曲率、变速度铺放的控制问题，二是铺放头与芯模轴之间的运动干涉。

为解决这些关键技术瓶颈，团队成功申请到国家自然科学基金与航天集团联合设立的“先进制造联合基金”，项目于2020年正式启动，重点瞄准航天发动机封头部位的非球面成型工艺展开系统攻关。

然而，科研之路从无坦途。王菲坦言，那段时期经历的失败“数不胜数”。困难首先来自材料本身。当时，国内在热塑性碳纤维预浸带方面几乎处于空白，工艺极不成熟。他们与航天科技四院43所协同攻关，但早期制备出的预浸带问题重重：树脂与纤维混合不均，导致激光加热时温度场不稳定，部分区域过热，部分却加热不足；树脂含量波动大，严重影响成型质量的一致性；预浸带的宽度与厚度不稳定，造成压辊在铺放中持续跳动，使铺放压力无法保持稳定；更棘手的是，材料形态也未达标，很多时候更像“沾了点树脂粉末的碳纤维丝束”，远未达到理想预浸带的标准，致使温度控制极为困难，甚至屡屡因控温失准触发消防报警。

材料与设备的双重挑战相互交织，使得早期成型构件的孔隙率、层间剪切强度等关键性能指标远不达标。“可以说是一团糟，”王菲这样形容起步时的艰难局面。

面对困境，团队从三个层面系统推进改进：在材料端，他们与航天43所持续优化预浸带制备工艺，显著提升了其在树脂含量、纤维分布及尺寸方面的稳定性；在装备端，团队改进了加压结构以抑制压辊跳动，并对激光光场进行匀束整形，提升了加热温度场的均匀性；在工艺端，他们通过大量实验，系统优化了激光功率、铺放速度与压力等多参数在动态过程中的匹配策略，逐步实现了成型质量的稳定可控。

从构想到实现关键技术突破，这条路他们走了近十年。在被问及是何支撑他带领团队坚持至今时，王菲的回答坦诚而真挚。他透露，自己最初接触这一领域时其实有点排斥——当时对碳纤维复合材料了解不深，手头亦有其他项目在推进。是在合作方因新一代航天运载器的迫切需求而主动联系、极力推动下，他才着手进行了一些验证性实验。“没想到，初步实验结果出人意料地好，”正是这“意外之喜”，点燃了他深入探索的兴趣。

而更深层的驱动力，则源于他将科研工作与国家重大战略需求紧密结合的信念。“我逐渐认识到，我们的研究如果不面向国家的真实需求，其价值将大打折扣。”他谈到，该项目所针对的新一代航天运载器技术，直接关乎国防安全，是名副其实的“国家所需”。这种以任务为导向的“有组织的科研”，以及由此产生的价值认同，成为支撑他持续深耕的核心力量。

从碳激光专家到“碳”索者

 

事实上，目前王菲教授全力攻关的碳纤维方向，并不是他最初的研究方向。他形容自己的求学与科研之路是一个“不断转换跑道”的过程。本科阶段，他在长春理工大学光电学院攻读生物医学工程，专业方向偏向光学与生物控制；而到研究生时期，一个偶然的机会将他带到了北京工业大学激光工程研究院，也由此开启了他与激光技术相伴的二十年。

跨专业深造并不轻松。王菲坦言，最初自己甚至担心能否顺利毕业。为了补上专业知识，他在大四做毕业设计期间，就同步自学了量子力学、固体物理等多门核心课程。整个研究生阶段，他几乎把所有时间都投入实验室，每年仅休息两到三周，从未享受过完整的寒暑假或黄金周。这份投入也换来了扎实的科研功底——毕业时，他不仅获评北京市优秀硕士学位论文，还在典礼上由时任北京工业大学校长亲自拨穗，并在随后的求职中与来自清华、中科院等顶尖高校的毕业生同台竞争，最终选择回到母校长春理工大学任教。

2005年刚回校时，月薪仅1600元的他，为了延续科研，不惜自费购买光学元件。“一个实验模块就要三四万元，相当于我两年多的工资”，他回忆道。就这样坚持数年后，他才获得在职攻读博士的机会，逐步走上正规科研轨道。博士期间，他专注于新型激光器研发，探索光泵浦垂直外腔面发射半导体激光器，该类型激光器兼具高功率与优质光束的特点，应用前景广阔。可惜由于后来其他工作任务繁重，这个方向被暂时搁置。

王菲坦言，在2015年之前，其主要研究方向集中在激光测试技术与仪器领域，包括激光参数测量、损伤测试以及激光加工装备研发，并在2010年就牵头研制出激光清洗机。十年间，他在该方向积累了丰硕成果，获得近十项省部级奖项。然而，随着对碳纤维复合材料认识的深入，到2020年，他看到了这一新兴方向的巨大潜力，做出了一个关键抉择：全面停止与碳纤维无关的项目，全力转向该领域研究。

“这个决定并不轻松”，这意味着他要放下已有深厚积累的方向，包括早期投入多年的激光清洗技术。但他并不后悔：“科研工作只有面向国家重大需求，才更具价值。”

从生物医学到激光技术，从测试仪器到复合材料，王菲的科研路径看似不断转换，却始终围绕着国家需求与学科前沿。

技术落地，未来已来

 

经过十余年发展，如今，王菲教授带领团队研发的热塑性碳纤维复合材料激光原位成型技术已日趋成熟，完成了五六轮样机迭代。这项技术已获得蒙发能源控股集团数千万元的天使轮融资，并依托途格科技(广东)有限公司（以下简称“途格科技”）正式开启产业化进程。目前，他们正致力于建设生产线，特别是面向氢能和深海石油天然气高压管道等应用领域，计划在三年内投入10个亿建设5~6条热塑性碳纤维复合材料柔性管道生产线。

王菲教授表示，任何“高大上”的科技成果，最终都要思考如何“接地气”，真正转化为实际生产力和GDP。

在应用前景方面，除了航空航天等高端领域，这项技术在新能源汽车、消防器材等民用市场同样大有可为。“比如我们常见的金属灭火器，重量较大，如果改用碳纤维复合材料，重量将大幅减轻。”

然而，最具潜力的市场还在于国家能源战略布局。他特别提到“西氢东送”工程面临的输送难题：“西部丰富的风光电可用于制氢，但如何高效输送到东部？现有金属管道不仅重量大，还面临‘氢气渗入金属内部导致脆化’的风险。”而热塑性复合材料管道正好能克服这些缺点。

在深海油气输送领域，这项技术更具革命性意义。“特别是在平均水深超过1000米的南海，”王菲解释，“金属管道在海底耐腐蚀性差，寿命只有几年，而碳纤维复合材料管道没有腐蚀问题，寿命可达四五十年。”更关键的是，海底管道单根长度可能达到数公里，必须在铺管船上直接成型下海，这正是原位成型技术的独特优势。“据估算，如果在南海铺设碳纤维复合材料管道，投入规模可能达到七八万亿元。”

目前，途格科技公司正在建设两条中试生产线。王菲透露，技术本身也在持续迭代，以适应不同的树脂体系。他举例说明：“高端应用如航空航天会选用聚醚醚酮，成型温度要四百多度；陆地氢气管道可用尼龙12，两百度左右；浅海管道可用聚偏氟乙烯，需要三百多度。虽然温度不同，但核心工艺一致，只需调整激光功率参数。”

与此同时，王菲团队还在攻关另一项颠覆性技术——用激光制备碳纤维。这项研究正是让他决心全面转向该领域的关键。“当前碳纤维生产成本居高不下，主要瓶颈在于能耗。”他给我们算了一笔账：传统电加热工艺生产1公斤T300碳纤维耗电约22度，仅电费就要15.4元，而市场售价约70元，行业利润微薄。

自2017年起，团队与吉林碳谷合作研发激光加热技术。“若能实现，能耗有望降低70%以上。”经过七年攻关，他们突破了大光斑光束整形技术，解决了原丝在预氧化阶段的吸光难题，成为全球首个公开报道攻克该瓶颈的团队。

“我们将总加热时间从传统的80-90分钟缩短到23分钟，且有望进一步压缩到18分钟以内。”王菲的语气中带着自豪，“更重要的是，激光无需预热，传统电加热炉从室温升到3000度要10天，而激光瞬间就能达到工作温度。”这项突破将每公斤碳纤维的生产成本降低约10元，对行业而言是颠覆性的。而此前根据CarbonTech报道，2024年，国内碳纤维行业平均利润约为330元/吨，即平均利润0.33元/公斤。

预计激光制备碳纤维的中试线明年五六月份投入运行。王菲坚信，一旦技术验证成功，将彻底改变碳纤维产业格局。“现在很多民用领域‘用不起’碳纤维，我们的技术将打开巨大的民用市场。”

结语

 

从最初的激光清洗设备，到如今聚焦高分子材料领域，王菲老师的产业化路径愈发清晰。他坚信，只有将尖端技术与国家战略、市场需求紧密结合，科技创新才能真正实现其价值。在他的实验室里，这项“高大上”的技术，正在一步步走向“接地气”的产业化之路。