中國(guó)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(guó)的少數(shù)公司手中。中國(guó)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(zhǎng)期未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。由于碳纖維在航天航空等國(guó)防工業(yè)中有重要用途，西方國(guó)家將其視為軍用物資，對(duì)中國(guó) “禁運(yùn)” ，更不轉(zhuǎn)讓生產(chǎn)技術(shù)。 20世紀(jì)70年代，美國(guó)在戰(zhàn)略導(dǎo)彈和作戰(zhàn)飛機(jī)中開始使用碳纖維增強(qiáng)樹脂材料，使得武器性能大幅提高。我國(guó)國(guó)防科技系統(tǒng)認(rèn)定，我國(guó)戰(zhàn)略武器和軍用飛機(jī)采用樹脂基復(fù)合材料代替金屬也勢(shì)在必行。

 

　　1975年由當(dāng)時(shí)的國(guó)防科委主任張愛萍親自主持召開了一次專題會(huì)議，部署國(guó)內(nèi)碳纖維研究工作，由國(guó)家計(jì)委安排500萬元資金做啟動(dòng)費(fèi)，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(cè)試檢驗(yàn)技術(shù)5個(gè) “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(fù)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(huì)議對(duì)促進(jìn)中國(guó)碳纖維研究起到了重要推動(dòng)作用，調(diào)動(dòng)了研究人員和企業(yè)為國(guó)防建設(shè)做貢獻(xiàn)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(hào)的非結(jié)構(gòu)件。

 

　　1978年5月，國(guó)家科委恢復(fù)，碳纖維轉(zhuǎn)由科委為主管理，我由當(dāng)時(shí)的石化部調(diào)國(guó)家科委二局新材料處，主管碳纖維項(xiàng)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(fèi)，力圖把碳纖維質(zhì)量抓上去，先后會(huì)同國(guó)防科工委等召開了多次會(huì)議。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，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(zhǎng)所的資金約2600多萬元，共建設(shè)廠房、試驗(yàn)室20000多平方米。建成PAN原絲試制動(dòng)力約50t/a，碳纖維長(zhǎng)絲的試制能力1.5～2.0t/a，大體滿足了國(guó)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(yuǎn)高于日本產(chǎn)品。由于質(zhì)量達(dá)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(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)。 1984－1985年，國(guó)家科委鼓勵(lì)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)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(jìn)美國(guó)Hitco碳化設(shè)備，最終被美國(guó)國(guó)防部否決。吉林化學(xué)工業(yè)公司經(jīng)過調(diào)研、詢價(jià)，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(guó)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(cè)試儀器，按當(dāng)時(shí)匯率折合2731萬元。國(guó)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(guó)開發(fā)計(jì)劃署（UNDP）和聯(lián)合國(guó)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(xiàng)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(fèi)共250萬美元,其中中國(guó)政府分?jǐn)?50萬美元。北京化工學(xué)院經(jīng)調(diào)研，同樣除英國(guó)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(guó)R K公司加工制造一套10t級(jí)（12K）預(yù)氧化、炭化中試線，加工費(fèi)56萬美元。項(xiàng)目歷經(jīng)磨難，幾次因 “可能有用于軍事” 而險(xiǎn)些遭到封殺，原定3年完成的項(xiàng)目拖了7年，1993年6月才勉強(qiáng) “驗(yàn)收” ，實(shí)際上并未能正常運(yùn)行。

 

　　2套引進(jìn)設(shè)備均未能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所謂的外國(guó)專家也無能為力，引進(jìn)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(guó)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(guó)，但技術(shù)偏低，甚至不過關(guān)，無先進(jìn)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(shí)力，又因要保密，限制系統(tǒng)外專家介入，加上資金嚴(yán)重短缺，只好被迫 “交學(xué)費(fèi)” 。

 

　　在幾十年的風(fēng)風(fēng)雨雨中，盡管也取得了多方面成績(jī)，但一個(gè)嚴(yán)酷的事實(shí)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(guó)新材料研發(fā)中是為數(shù)不多的失敗案例。雖然國(guó)防事業(yè)迫切需要，但一連串的失利嚴(yán)重挫傷了各方面的信心，國(guó)家各部門在20世紀(jì)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(duì)此我深有體會(huì)。

 

　　師昌緒院士呼喚中國(guó)碳纖維的新世紀(jì)

 

　　大約是2000年初，師昌緒先生問我 “是否了解碳纖維？” 師先生對(duì)我說，中國(guó)的碳纖維上不去，影響國(guó)防科技和高新技術(shù)發(fā)展，關(guān)系到國(guó)家安全，不搞上去不行。中國(guó)的材料科技工作者解決了國(guó)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(diǎn)事，但想抓一抓碳纖維，碳纖維上不去，國(guó)防安全無保證，將死不瞑目。他希望我“找?guī)讉€(gè)熟悉情況的人，認(rèn)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(zhǎng)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(xiàng)技術(shù)難度很大的系統(tǒng)工程。師先生在快80歲的時(shí)候 “想抓一抓碳纖維” ，體現(xiàn)了他憂國(guó)憂民的崇高精神境界，國(guó)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(dòng)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(shí)科技部高新司石定寰副司長(zhǎng)、材料處馬燕合處長(zhǎng)、八六三計(jì)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(duì)策研究” ，成立了以師昌緒為組長(zhǎng)的軟課題組，日常工作由我負(fù)責(zé)。師先生的呼吁也得到了總裝備部、國(guó)防科工委、國(guó)家計(jì)委、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)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(shí)，正是碳纖維研發(fā)處于最困難的低谷時(shí)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(yíng)” ，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(xiàng)的前提條件，當(dāng)時(shí)馬燕合處長(zhǎng)還很大度的表示，涉及科技部工作中的錯(cuò)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(bào)》2000年第4期和第5期上發(fā)表，以編輯部名義寫了短評(píng) “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(diǎn)，找準(zhǔn)我國(guó)碳纖維研制失誤的原因，以求在今后避免。短評(píng)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(gè)方面，不容易說清；二是涉及具體單位、人員，中國(guó)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(rèn)為有必要開一次研討會(huì)，專門總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以加深認(rèn)識(shí)，同時(shí)擴(kuò)大影響，利于今后碳纖維立項(xiàng)。 2000年8月28日，國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)、中國(guó)人民解放軍總裝備部先進(jìn)材料技術(shù)專業(yè)組、《材料導(dǎo)報(bào)》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(duì)策研討會(huì)” ，會(huì)議主題是 “總結(jié)過去，展望未來——為中國(guó)碳纖維事業(yè)出謀劃策” ，來自全國(guó)各地的30個(gè)單位、 50多位代表出席了會(huì)議，科技部、總裝備部、國(guó)防科工委、國(guó)家自然科學(xué)基金委均派人參加。會(huì)議反映出對(duì)歷史教訓(xùn)的不同認(rèn)識(shí)，在對(duì)諸如成績(jī)估計(jì)、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(píng)。但對(duì)歷史教訓(xùn)仍取得4點(diǎn)共識(shí)，即對(duì)碳纖維的重要性和技術(shù)難度缺乏正確估計(jì)；投資嚴(yán)重不足，使用嚴(yán)重不當(dāng)；形不成國(guó)家攻關(guān)隊(duì)伍；缺乏創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新環(huán)境。我以為雖然深度不夠，達(dá)不到科技部要求，但也大體反應(yīng)了實(shí)際狀況，再說過多的話，可能會(huì)影響隊(duì)伍團(tuán)結(jié)。會(huì)議最終形成的 “會(huì)議紀(jì)要” 于9月上旬報(bào)送各有關(guān)部委?！恫牧蠈?dǎo)報(bào)》2000年第11期又發(fā)表了吳人潔等7篇會(huì)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(duì)策研究報(bào)告》和《我國(guó)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(bào)送各部委。至此軟課題宣告結(jié)束。

 

　　以上工作對(duì)碳纖維爭(zhēng)取 “十五” 研究經(jīng)費(fèi)起到重要作用，但師先生認(rèn)為火候還不夠，還要繼續(xù)努力才能確保“十五” 研究經(jīng)費(fèi)的落實(shí)。 2000年12月27日，師先生邀請(qǐng)有關(guān)部委同志在中國(guó)工程院開座談會(huì)，圍繞 “十五” 碳纖維研制目標(biāo)、研究體制和經(jīng)費(fèi)來源進(jìn)行座談。出席會(huì)議的是有關(guān)部委的司局長(zhǎng)或處長(zhǎng)。會(huì)議進(jìn)行了深入討論，關(guān)于經(jīng)費(fèi)來源，會(huì)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(rèn)為對(duì)于經(jīng)費(fèi)落實(shí)會(huì)有促進(jìn)作用，關(guān)于體制問題，大家都認(rèn)為很重要，曾提到要集中優(yōu)勢(shì)力量，打破單位界線，組織國(guó)家隊(duì)，研制單位控制在2 ～3家，建立競(jìng)爭(zhēng)機(jī)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(qǐng)示報(bào)告” 。 “江辦” 將報(bào)告批轉(zhuǎn)到國(guó)家計(jì)委和科技部等部門，產(chǎn)生較大影響，對(duì)以后的經(jīng)費(fèi)落實(shí)起到了決定性影響。

 

　　2001年師先生親自對(duì)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(huì)” ，師先生全程參加2天會(huì)議，仔細(xì)聽取大家發(fā)言，并發(fā)表了多方面的意見，如師先生強(qiáng)調(diào)了基礎(chǔ)研究和纖維質(zhì)量穩(wěn)定的重要意義，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)室成果必須經(jīng)中試放大考驗(yàn)后才能產(chǎn)業(yè)化，提出要加強(qiáng)原絲、碳絲表征、測(cè)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(xiàng)， 11月遴選組成了專家小組，由中科院化學(xué)所副所長(zhǎng)徐堅(jiān)任組長(zhǎng)，北京化工大學(xué)徐華任副組長(zhǎng)。 2002年2月26日科技部高新司召開八六三計(jì)劃新材料領(lǐng)域 “十五” 安排通氣會(huì)，師先生針對(duì)碳纖維專項(xiàng)再次提出：一是目標(biāo)要明確，二是組織形式要?jiǎng)?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(cè)試平臺(tái)，支持建立公平、公正、高透明的取樣評(píng)價(jià)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(huì)，把國(guó)防部門請(qǐng)來，共同把一下關(guān)， 2002年3月6日會(huì)議在基金委員會(huì)召開，徐堅(jiān)匯報(bào)了專家組制定的 “戰(zhàn)略目標(biāo)論證報(bào)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(diǎn)：纖維的質(zhì)量和價(jià)格都要有約束，要考慮經(jīng)濟(jì)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(jià)格優(yōu)勢(shì)的品種，要做重點(diǎn)；要吸收優(yōu)秀人才，引入競(jìng)爭(zhēng)機(jī)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(huì)，最后修改審定 “十五戰(zhàn)略目標(biāo)” ，徐堅(jiān)同志傳達(dá)了通氣會(huì)的意見，并按此對(duì)戰(zhàn)略目標(biāo)做了若干重要修改?；叵肫饋恚瑤熛壬鞒值?“通氣會(huì)” ，可以說是在關(guān)鍵的時(shí)間討論了關(guān)鍵問題，提出了關(guān)鍵意見，對(duì) “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(fèi)塵埃落定后，師先生又考慮怎樣加強(qiáng)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(huì)議，多次聽取匯報(bào)，關(guān)注著每個(gè)細(xì)節(jié)，撲捉每個(gè)機(jī)會(huì)。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(fèi)來源。師先生2002年11月12日給基金委領(lǐng)導(dǎo)些了建議報(bào)告，得到積極支持。2003年1月17日，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)批準(zhǔn)碳纖維2個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目，由“宏觀調(diào)控經(jīng)費(fèi)”資助。2005年碳纖維項(xiàng)目被批準(zhǔn)為國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（九七三項(xiàng)目），獲得了寶貴的基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)。

 

　　當(dāng)我國(guó)碳纖維技術(shù)取得進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)化起步后，師先生立即把國(guó)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(zhēng)取專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)，取得重要成績(jī)。

 

經(jīng)過科技人員多年的艱苦努力，我國(guó)碳纖維技術(shù)已取得重大進(jìn)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(jìn)來，中國(guó)大地掀起碳纖維投資熱，國(guó)有、民營(yíng)一起上，都要爭(zhēng)奪碳纖維市場(chǎng)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(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)騰飛的時(shí)期。看到這些成績(jī)，我認(rèn)為師昌緒先生作出了重大貢獻(xiàn)，他是促進(jìn)中國(guó)碳纖維事業(yè)發(fā)展的靈魂，是他喚來了中國(guó)碳纖維的新世紀(jì)！