中國碳纖維研究的過去與現(xiàn)在

1959年，日本人發(fā)明了用聚丙烯腈為原絲加張力牽伸制造碳纖維的方法，成為當(dāng)前的主流產(chǎn)品，制造技術(shù)主要掌握在日本及美國的少數(shù)公司手中。中國用聚丙烯腈為原料生產(chǎn)碳纖維的研究始于1962年，起步可謂不晚，但長期未取得實質(zhì)性進展。由于碳纖維在航天航空等國防工業(yè)中有重要用途，西方國家將其視為軍用物資，對中國 “禁運” ，更不轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)技術(shù)。 20世紀70年代，美國在戰(zhàn)略導(dǎo)彈和作戰(zhàn)飛機中開始使用碳纖維增強樹脂材料，使得武器性能大幅提高。我國國防科技系統(tǒng)認定，我國戰(zhàn)略武器和軍用飛機采用樹脂基復(fù)合材料代替金屬也勢在必行。

 

　　1975年由當(dāng)時的國防科委主任張愛萍親自主持召開了一次專題會議，部署國內(nèi)碳纖維研究工作，由國家計委安排500萬元資金做啟動費，制定了10年發(fā)展規(guī)劃，組織了原絲、碳化、結(jié)構(gòu)材料、防熱材料、測試檢驗技術(shù)5個 “攻關(guān)組” ，安排20多家研究和企業(yè)單位參加，如由吉林化學(xué)工業(yè)公司研究院、吉林遼源石油化工廠、蘭州化學(xué)工業(yè)公司化纖廠、上海合成纖維研究所采用不同溶劑路線研發(fā)聚丙烯睛（PAN）原絲，上海合成纖維研究所、吉林、上海、蘭州、撫順4家碳素廠、山西燃化所、中科院化學(xué)所等負責(zé)碳化技術(shù)研究，另外還安排了織物和材料應(yīng)用研究。這次會議對促進中國碳纖維研究起到了重要推動作用，調(diào)動了研究人員和企業(yè)為國防建設(shè)做貢獻的熱情。各單位陸續(xù)生產(chǎn)出不同質(zhì)量的原絲和碳纖維，雖然其力學(xué)性能較差、穩(wěn)定性不好，但畢竟解決了有無問題，并成功用于某些型號的非結(jié)構(gòu)件。

 

　　1978年5月，國家科委恢復(fù)，碳纖維轉(zhuǎn)由科委為主管理，我由當(dāng)時的石化部調(diào)國家科委二局新材料處，主管碳纖維項目。新材料處把碳纖維視為重中之重，花了很大精力和經(jīng)費，力圖把碳纖維質(zhì)量抓上去，先后會同國防科工委等召開了多次會議。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1975至1981年底，中央各部委共投入到承擔(dān)碳纖維原絲、碳纖維制品等的民用研制長所的資金約2600多萬元，共建設(shè)廠房、試驗室20000多平方米。建成PAN原絲試制動力約50t/a，碳纖維長絲的試制能力1.5～2.0t/a，大體滿足了國防急需。但碳纖維質(zhì)量雖有所提高，卻一直難以有大的突破，特別是不勻率高、毛絲多，力學(xué)性能也上不去，和日本產(chǎn)品質(zhì)量差距越拉越大，而成本卻遠高于日本產(chǎn)品。由于質(zhì)量達不到起碼要求，無法用以制備大量需要的航天航空結(jié)構(gòu)材料。

 

　　由于碳纖維研究陷入困境，各單位把希望轉(zhuǎn)向引進國外先進設(shè)備和技術(shù)。 1984－1985年，國家科委鼓勵引進國外先進技術(shù)，承諾將給予資金支持。 1984年，冶金部支持上海碳素廠試圖引進美國Hitco碳化設(shè)備，最終被美國國防部否決。吉林化學(xué)工業(yè)公司經(jīng)過調(diào)研、詢價，世界各知名碳纖維公司均囿于 “巴黎統(tǒng)籌條約” 限制，不轉(zhuǎn)讓技術(shù)、不出售設(shè)備，只有英國RK公司同意出售大絲束預(yù)氧化爐和炭化爐，經(jīng)過談判、考察，最終以450萬美元購買了生產(chǎn)能力為100t （12K） /a碳化設(shè)備及相應(yīng)測試儀器，按當(dāng)時匯率折合2731萬元。國家科委按承諾給了250萬美元額度指標(biāo)和895萬元，化工部給了200萬美元額度指標(biāo)，吉化公司自籌1836萬元，工程最終決算約為3000萬元。 1990年經(jīng)多次試車，預(yù)氧化爐尚可，炭化爐始終開不起來。

 

　　1986年，聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）和聯(lián)合國工發(fā)組織（UNIDO）批準(zhǔn)在北京設(shè)置 “碳纖維及其復(fù)合材料的開發(fā)應(yīng)用” 項目，由北京化工學(xué)院和北京航空材料研究所共同承擔(dān)，總經(jīng)費共250萬美元,其中中國政府分攤150萬美元。北京化工學(xué)院經(jīng)調(diào)研，同樣除英國RK公司外，沒有廠家愿意出售，最后由北京化工學(xué)院提供工藝參數(shù)，委托英國R K公司加工制造一套10t級（12K）預(yù)氧化、炭化中試線，加工費56萬美元。項目歷經(jīng)磨難，幾次因 “可能有用于軍事” 而險些遭到封殺，原定3年完成的項目拖了7年，1993年6月才勉強 “驗收” ，實際上并未能正常運行。

 

　　2套引進設(shè)備均未能正常運轉(zhuǎn)，所謂的外國專家也無能為力，引進單位有苦難言，十幾年后都當(dāng)廢鐵賣了。具有較高技術(shù)水平的碳纖維公司，無論從政治角度還是商業(yè)角度都不可能向我國轉(zhuǎn)讓技術(shù)或出售設(shè)備。同意轉(zhuǎn)讓技術(shù)、出售設(shè)備的大多是一些小公司，其技術(shù)水平雖總體上高于中國，但技術(shù)偏低，甚至不過關(guān)，無先進性可言。RK碳化設(shè)備就有許多技術(shù)沒有解決好。吉化公司和北京化工大學(xué)缺乏大規(guī)模改造設(shè)備的技術(shù)實力，又因要保密，限制系統(tǒng)外專家介入，加上資金嚴重短缺，只好被迫 “交學(xué)費” 。

 

　　在幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨中，盡管也取得了多方面成績，但一個嚴酷的事實是：碳纖維技術(shù)沒有根本性突破，碳纖維產(chǎn)業(yè)沒有建立。這在我國新材料研發(fā)中是為數(shù)不多的失敗案例。雖然國防事業(yè)迫切需要，但一連串的失利嚴重挫傷了各方面的信心，國家各部門在20世紀后期的10多年內(nèi)都不愿或不敢大量投資，使碳纖維演研發(fā)成為一塊令人望而生畏的“燙手山芋”，碳纖維人嘗到了太多的酸甜苦辣，對此我深有體會。

 

　　師昌緒院士呼喚中國碳纖維的新世紀

 

　　大約是2000年初，師昌緒先生問我 “是否了解碳纖維？” 師先生對我說，中國的碳纖維上不去，影響國防科技和高新技術(shù)發(fā)展，關(guān)系到國家安全，不搞上去不行。中國的材料科技工作者解決了國防需要的成千上萬種新材料，碳纖維制備技術(shù)不能突破，是材料科技工作的重大失誤。師先生還說，他已近80歲了， 80歲以后要少管點事，但想抓一抓碳纖維，碳纖維上不去，國防安全無保證，將死不瞑目。他希望我“找?guī)讉€熟悉情況的人，認真研究過去碳纖維搞不上去的原因和今后應(yīng)該怎樣去做。 ”

 

　　師先生長期從事金屬材料研究，碳纖維是師先生所不熟悉的領(lǐng)域，而且是一項技術(shù)難度很大的系統(tǒng)工程。師先生在快80歲的時候 “想抓一抓碳纖維” ，體現(xiàn)了他憂國憂民的崇高精神境界，國家需要是師先生的最高人生目標(biāo)。師先生的精神和勇氣深深打動了我，當(dāng)即表示愿意當(dāng)師先生的助手，協(xié)助抓好碳纖維。師先生的意見得到當(dāng)時科技部高新司石定寰副司長、材料處馬燕合處長、八六三計劃新材料領(lǐng)域首席科學(xué)家石力開等同志的支持，決定在八六三新材料領(lǐng)域立軟課題 “聚丙稀腈基碳纖維發(fā)展對策研究” ，成立了以師昌緒為組長的軟課題組，日常工作由我負責(zé)。師先生的呼吁也得到了總裝備部、國防科工委、國家計委、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委員會相關(guān)司局以至各部委高層領(lǐng)導(dǎo)支持，由此可見師先生在科技界影響之大，威望之高。

 

　　2000年師昌緒先生提出要抓碳纖維時，正是碳纖維研發(fā)處于最困難的低谷時期，只有吉化公司、吉林碳素廠和北京化工學(xué)院還在 “慘談經(jīng)營” ，維持小批量供貨，其他研發(fā)單位基本退出了這一領(lǐng)域。

 

　　師先生和各部委的同志都把 “說清碳纖維上不去的原因” 視為重新立項的前提條件，當(dāng)時馬燕合處長還很大度的表示，涉及科技部工作中的錯誤和失誤，盡管放開講，這有利于未來的工作。但要說清楚碳纖維搞不上去的 “原因” 并不容易。我組織專家撰寫分析文章，羅益鋒、趙稼祥、蔡華蘇和張復(fù)濤的3篇文章在《材料導(dǎo)報》2000年第4期和第5期上發(fā)表，以編輯部名義寫了短評 “總結(jié)過去，展望未來” ，核心內(nèi)容是以總結(jié)過去為切入點，找準(zhǔn)我國碳纖維研制失誤的原因，以求在今后避免。短評由我起草，師先生逐句修改。但要深入總結(jié)碳纖維的失誤和教訓(xùn)是困難的，一是原因復(fù)雜，涉及多個方面，不容易說清；二是涉及具體單位、人員，中國文化的 “含蓄” 性決定了難以暢所欲言。發(fā)表的3篇文章都沒有把原因說透，為此，師先生認為有必要開一次研討會，專門總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，以加深認識，同時擴大影響，利于今后碳纖維立項。 2000年8月28日，國家高技術(shù)計劃新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會、中國人民解放軍總裝備部先進材料技術(shù)專業(yè)組、《材料導(dǎo)報》編輯部北京分部聯(lián)名在京召開 “聚丙稀腈基碳纖維發(fā)展對策研討會” ，會議主題是 “總結(jié)過去，展望未來——為中國碳纖維事業(yè)出謀劃策” ，來自全國各地的30個單位、 50多位代表出席了會議，科技部、總裝備部、國防科工委、國家自然科學(xué)基金委均派人參加。會議反映出對歷史教訓(xùn)的不同認識，在對諸如成績估計、決策失誤、部門分割、資金使用、創(chuàng)新能力以及原絲的重要性等方面均有不同見解，主要原因是不愿意本人或本單位的工作得不到肯定或受到批評。但對歷史教訓(xùn)仍取得4點共識，即對碳纖維的重要性和技術(shù)難度缺乏正確估計；投資嚴重不足，使用嚴重不當(dāng)；形不成國家攻關(guān)隊伍；缺乏創(chuàng)新意識和創(chuàng)新環(huán)境。我以為雖然深度不夠，達不到科技部要求，但也大體反應(yīng)了實際狀況，再說過多的話，可能會影響隊伍團結(jié)。會議最終形成的 “會議紀要” 于9月上旬報送各有關(guān)部委?！恫牧蠈?dǎo)報》2000年第11期又發(fā)表了吳人潔等7篇會議發(fā)言。在此基礎(chǔ)上，師先生又領(lǐng)導(dǎo)我們繼續(xù)完成了《聚丙稀腈基碳纖維發(fā)展對策研究報告》和《我國聚丙稀腈基碳纖維及原絲研制、生產(chǎn)單位概況》，于2000年12月報送各部委。至此軟課題宣告結(jié)束。

 

　　以上工作對碳纖維爭取 “十五” 研究經(jīng)費起到重要作用，但師先生認為火候還不夠，還要繼續(xù)努力才能確保“十五” 研究經(jīng)費的落實。 2000年12月27日，師先生邀請有關(guān)部委同志在中國工程院開座談會，圍繞 “十五” 碳纖維研制目標(biāo)、研究體制和經(jīng)費來源進行座談。出席會議的是有關(guān)部委的司局長或處長。會議進行了深入討論，關(guān)于經(jīng)費來源，會上分析了各種方案，大家都支持由師先生給中央領(lǐng)導(dǎo)寫信，認為對于經(jīng)費落實會有促進作用，關(guān)于體制問題，大家都認為很重要，曾提到要集中優(yōu)勢力量，打破單位界線，組織國家隊，研制單位控制在2 ～3家，建立競爭機制，采用課題制，設(shè)立專家小組等。

 

　　2001年1月，師先生給江澤民主席寫了 “關(guān)于加速開發(fā)高性能碳纖維的請示報告” 。 “江辦” 將報告批轉(zhuǎn)到國家計委和科技部等部門，產(chǎn)生較大影響，對以后的經(jīng)費落實起到了決定性影響。

 

　　2001年師先生親自對碳纖維做了許多調(diào)查研究。 2001年9月25日科技部高新司在京召開 “PAN高性能碳纖維研制與開發(fā)戰(zhàn)略研討會” ，師先生全程參加2天會議，仔細聽取大家發(fā)言，并發(fā)表了多方面的意見，如師先生強調(diào)了基礎(chǔ)研究和纖維質(zhì)量穩(wěn)定的重要意義，強調(diào)實驗室成果必須經(jīng)中試放大考驗后才能產(chǎn)業(yè)化，提出要加強原絲、碳絲表征、測試技術(shù)研究。根據(jù)大家的意見，師先生同意將 “十五” 目標(biāo)做適當(dāng)調(diào)整。

 

　　2001年10月科技部決定設(shè)立碳纖維專項， 11月遴選組成了專家小組，由中科院化學(xué)所副所長徐堅任組長，北京化工大學(xué)徐華任副組長。 2002年2月26日科技部高新司召開八六三計劃新材料領(lǐng)域 “十五” 安排通氣會，師先生針對碳纖維專項再次提出：一是目標(biāo)要明確，二是組織形式要創(chuàng)新，要推行聯(lián)合，不能有門戶之見，不能形成 “瓜分體制” ，支持建設(shè)高水平的分析測試平臺，支持建立公平、公正、高透明的取樣評價體系。為了確定碳纖維研究目標(biāo)，師先生決定再召開一次通氣會，把國防部門請來，共同把一下關(guān)， 2002年3月6日會議在基金委員會召開，徐堅匯報了專家組制定的 “戰(zhàn)略目標(biāo)論證報告” 后，吳世平、才鴻年、賀守華等同志提出了很中肯的意見，主要有以下幾點：纖維的質(zhì)量和價格都要有約束，要考慮經(jīng)濟規(guī)模的生產(chǎn)；目標(biāo)要集中，要在原絲和高性能上下功夫；有質(zhì)量和價格優(yōu)勢的品種，要做重點；要吸收優(yōu)秀人才，引入競爭機制，參加單位不能太多，避免分散等。 2002年3月9日，專家組在太原開會，最后修改審定 “十五戰(zhàn)略目標(biāo)” ，徐堅同志傳達了通氣會的意見，并按此對戰(zhàn)略目標(biāo)做了若干重要修改。回想起來，師先生主持的 “通氣會” ，可以說是在關(guān)鍵的時間討論了關(guān)鍵問題，提出了關(guān)鍵意見，對 “十五” 研究方向產(chǎn)生了重要影響。

 

　　師先生考慮問題歷來是既想到當(dāng)前又看到未來。當(dāng)技術(shù)研發(fā)經(jīng)費塵埃落定后，師先生又考慮怎樣加強基礎(chǔ)研究，為 “十五” 之后更高性能碳纖維的持續(xù)發(fā)展做準(zhǔn)備。為此，師先生出席各種會議，多次聽取匯報，關(guān)注著每個細節(jié)，撲捉每個機會。師先生指示我要探討研究關(guān)鍵科學(xué)問題，尋找物色學(xué)術(shù)帶頭人，了解可能的經(jīng)費來源。師先生2002年11月12日給基金委領(lǐng)導(dǎo)些了建議報告，得到積極支持。2003年1月17日，國家自然科學(xué)基金委員會批準(zhǔn)碳纖維2個重點項目，由“宏觀調(diào)控經(jīng)費”資助。2005年碳纖維項目被批準(zhǔn)為國家重大基礎(chǔ)研究項目（九七三項目），獲得了寶貴的基礎(chǔ)研究經(jīng)費。

 

　　當(dāng)我國碳纖維技術(shù)取得進展，產(chǎn)業(yè)化起步后，師先生立即把國產(chǎn)碳纖維應(yīng)用提上日程，努力支持開展相關(guān)應(yīng)用研究，并為此爭取專項經(jīng)費，取得重要成績。

 

經(jīng)過科技人員多年的艱苦努力，我國碳纖維技術(shù)已取得重大進展，雖然還有諸多問題有待攻克，但我們已經(jīng)可以不再受制于人。進來，中國大地掀起碳纖維投資熱，國有、民營一起上，都要爭奪碳纖維市場的蛋糕。雖然這一投資人帶有盲目性，筆者并不贊成，但可以預(yù)料：未來的10年將是中國碳纖維產(chǎn)業(yè)騰飛的時期。看到這些成績，我認為師昌緒先生作出了重大貢獻，他是促進中國碳纖維事業(yè)發(fā)展的靈魂，是他喚來了中國碳纖維的新世紀！