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碳纤维40年:国际封锁下的艰难攻关

2018年09月24日 | 作者: 江苏省复合材料学会 | 阅读: 176176

从上个世纪60年代开始,尤其是改革开放40年以来,历经三四代人的共同攻关,国产碳纤维终于实现了从无到有的突破。在国外技术封锁的艰难环境下,我们不断创新,举全国之力攻克了碳纤维制备的关键技术,在航空航天、军工等特定领域打破了国外对碳纤维的垄断。
     改革开放40年后,碳纤维进入一个新的发展阶段。它正在从“能用”向“好用”和“用得起”的阶段继续攻关。
     久攻不克
     碳纤维(CF)是一种含碳量在93%以上的高强度、高模量新型纤维材料。由于它最早应用在航空航天、军工等领域,是国家战略性新兴材料之一。国外一直对我国禁运高端碳纤维。自“十五”以来,因涉及国防安全,碳纤维被列为国家重点发展的新材料,国家给予高度重视。近年来,随着碳纤维制备关键技术的不断突破,其应用领域逐渐扩展到体育休闲、风力发电、汽车轻量化等领域。
     《经济》记者采访多位在一线攻关的科研人员后,深深地感受到他们对碳纤维技术攻关的锲而不舍和令人肃然起敬的国家情怀。
     “没有10年的卧薪尝胆,做不出来高性能碳纤维。”山东大学材料学院高分子材料研究所所长、山东省碳纤维工程技术研究中心副主任朱波这样告诉《经济》记者。
     “1966-1976年间,科学家们曾研究过酚醛、苯酚甲醛、呋喃类树脂、聚萘乙酸⋯⋯聚乙烯醇和聚醋酸乙烯酯等20多种有机物,但它们都没有作为碳纤维前驱体的商业开发价值。”军事科学院系统工程研究院的周宏在《日本碳纤维技术发展史研究》一文中有这样的描述。我们从中能感觉到,寻找高性能碳纤维的制备方法曾让全世界的科学家、科研人员“抓狂”。
     “碳纤维的研究起源于日本、美国,英国的科研人员通过工艺创新,赋予了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维(以下简称‘PAN基碳纤维’)优异的力学性能。作为一种新的材料研究,启发了中国的科研人员,跟着开始研究,但那时的科研并不在国家统一规划和管理下,更多的是自由分散式的。”北京化工大学材料科学与工程学院副院长、国家碳纤维工程技术研究中心主任徐樑华这样告诉《经济》记者。
     据资料显示,美国人曾尝试使用它制备高模量碳纤维,但没有成功。日本的進藤昭男抓住了美国人留下的这一机遇并取得了成功。1959年9月,進藤昭男向日本专利局提出了一项PAN基碳纤维生产工艺技术的专利申请。
     1970年6月,日本东丽公司获得了大阪工业技术试验所的专利授权,并收购了东海碳素公司和日本碳素公司的相关生产技术,经过一系列小试、中试,于次年制备出了高性能PAN基碳纤维。时至今日,它依然是世界领先的碳纤维公司。
     值得注意的是,PAN基碳纤维从实验室到东丽公司规模化生产也经历了漫长的12年。
     “上个世纪70年代,我们只落后日本三四年。我们下了很大功夫。到80年代,日本碳纤维突飞猛进。90年代以后,美国在碳纤维推广应用上进展飞速。但这段时间,我们在碳纤维应用方面的进展较少。”中国科学院山西煤炭化学研究所一位科研人员这样告诉《经济》记者。
     在回顾上个世纪70年代国外的碳纤维发展情况之后,我国在当时也发生了一个标志性的事件。1975年11月,时任国防科工委主任的张爱萍将军主持的“7511”会议上,确定PAN碳纤维为战略核武器的关键材料,组织了全国力量进行科技攻关。“7511”会议是中国碳纤维行业的一次标志性会议,也标志着碳纤维的科研工作被纳入国家统一规划。
     不过,当时我们面临的困难也不少。外因有国外的技术封锁,内因主要是由于中国部委制分割过细,把碳纤维这一集成的技术,分割到各个部委去抓,导致科研效果不佳。
     由于种种原因,“7511”会议之后的20多年里,中国碳纤维行业一直找不到一个有序发展的技术途径。我国有各种技术路线,但都不是顶尖的。那段时期,代表中国碳纤维水平的是吉林石化的硝酸法原丝制备工艺,但它也有明显的缺点,比如在工程放大的时候,它只能在低温下操作,否则容易爆炸,而且硝酸腐蚀性强,碳纤维的性能波动较大,产能也十分有限。
     很长一段时间,碳纤维行业都徘徊在沉寂期里。科研人员依然默默付出,因为他们一直铆足劲,希望终有一日中国的碳纤维能够超越日本。