中国碳纤维研究的过去与现在

1959年，日本人发明了用聚丙烯腈为原丝加张力牵伸制造碳纤维的方法，成为当前的主流产品，制造技术主要掌握在日本及美国的少数公司手中。中国用聚丙烯腈为原料生产碳纤维的研究始于1962年，起步可谓不晚，但长期未取得实质性进展。由于碳纤维在航天航空等国防工业中有重要用途，西方国家将其视为军用物资，对中国 “禁运” ，更不转让生产技术。 20世纪70年代，美国在战略导弹和作战飞机中开始使用碳纤维增强树脂材料，使得武器性能大幅提高。我国国防科技系统认定，我国战略武器和军用飞机采用树脂基复合材料代替金属也势在必行。

 

　　1975年由当时的国防科委主任张爱萍亲自主持召开了一次专题会议，部署国内碳纤维研究工作，由国家计委安排500万元资金做启动费，制定了10年发展规划，组织了原丝、碳化、结构材料、防热材料、测试检验技术5个 “攻关组” ，安排20多家研究和企业单位参加，如由吉林化学工业公司研究院、吉林辽源石油化工厂、兰州化学工业公司化纤厂、上海合成纤维研究所采用不同溶剂路线研发聚丙烯睛（PAN）原丝，上海合成纤维研究所、吉林、上海、兰州、抚顺4家碳素厂、山西燃化所、中科院化学所等负责碳化技术研究，另外还安排了织物和材料应用研究。这次会议对促进中国碳纤维研究起到了重要推动作用，调动了研究人员和企业为国防建设做贡献的热情。各单位陆续生产出不同质量的原丝和碳纤维，虽然其力学性能较差、稳定性不好，但毕竟解决了有无问题，并成功用于某些型号的非结构件。

 

　　1978年5月，国家科委恢复，碳纤维转由科委为主管理，我由当时的石化部调国家科委二局新材料处，主管碳纤维项目。新材料处把碳纤维视为重中之重，花了很大精力和经费，力图把碳纤维质量抓上去，先后会同国防科工委等召开了多次会议。据不完全统计，从1975至1981年底，中央各部委共投入到承担碳纤维原丝、碳纤维制品等的民用研制长所的资金约2600多万元，共建设厂房、试验室20000多平方米。建成PAN原丝试制动力约50t/a，碳纤维长丝的试制能力1.5～2.0t/a，大体满足了国防急需。但碳纤维质量虽有所提高，却一直难以有大的突破，特别是不匀率高、毛丝多，力学性能也上不去，和日本产品质量差距越拉越大，而成本却远高于日本产品。由于质量达不到起码要求，无法用以制备大量需要的航天航空结构材料。

 

　　由于碳纤维研究陷入困境，各单位把希望转向引进国外先进设备和技术。 1984－1985年，国家科委鼓励引进国外先进技术，承诺将给予资金支持。 1984年，冶金部支持上海碳素厂试图引进美国Hitco碳化设备，最终被美国国防部否决。吉林化学工业公司经过调研、询价，世界各知名碳纤维公司均囿于 “巴黎统筹条约” 限制，不转让技术、不出售设备，只有英国RK公司同意出售大丝束预氧化炉和炭化炉，经过谈判、考察，最终以450万美元购买了生产能力为100t （12K） /a碳化设备及相应测试仪器，按当时汇率折合2731万元。国家科委按承诺给了250万美元额度指标和895万元，化工部给了200万美元额度指标，吉化公司自筹1836万元，工程最终决算约为3000万元。 1990年经多次试车，预氧化炉尚可，炭化炉始终开不起来。

 

　　1986年，联合国开发计划署（UNDP）和联合国工发组织（UNIDO）批准在北京设置 “碳纤维及其复合材料的开发应用” 项目，由北京化工学院和北京航空材料研究所共同承担，总经费共250万美元,其中中国政府分摊150万美元。北京化工学院经调研，同样除英国RK公司外，没有厂家愿意出售，最后由北京化工学院提供工艺参数，委托英国R K公司加工制造一套10t级（12K）预氧化、炭化中试线，加工费56万美元。项目历经磨难，几次因 “可能有用于军事” 而险些遭到封杀，原定3年完成的项目拖了7年，1993年6月才勉强 “验收” ，实际上并未能正常运行。

 

　　2套引进设备均未能正常运转，所谓的外国专家也无能为力，引进单位有苦难言，十几年后都当废铁卖了。具有较高技术水平的碳纤维公司，无论从政治角度还是商业角度都不可能向我国转让技术或出售设备。同意转让技术、出售设备的大多是一些小公司，其技术水平虽总体上高于中国，但技术偏低，甚至不过关，无先进性可言。RK碳化设备就有许多技术没有解决好。吉化公司和北京化工大学缺乏大规模改造设备的技术实力，又因要保密，限制系统外专家介入，加上资金严重短缺，只好被迫 “交学费” 。

 

　　在几十年的风风雨雨中，尽管也取得了多方面成绩，但一个严酷的事实是：碳纤维技术没有根本性突破，碳纤维产业没有建立。这在我国新材料研发中是为数不多的失败案例。虽然国防事业迫切需要，但一连串的失利严重挫伤了各方面的信心，国家各部门在20世纪后期的10多年内都不愿或不敢大量投资，使碳纤维演研发成为一块令人望而生畏的“烫手山芋”，碳纤维人尝到了太多的酸甜苦辣，对此我深有体会。

 

　　师昌绪院士呼唤中国碳纤维的新世纪

 

　　大约是2000年初，师昌绪先生问我 “是否了解碳纤维？” 师先生对我说，中国的碳纤维上不去，影响国防科技和高新技术发展，关系到国家安全，不搞上去不行。中国的材料科技工作者解决了国防需要的成千上万种新材料，碳纤维制备技术不能突破，是材料科技工作的重大失误。师先生还说，他已近80岁了， 80岁以后要少管点事，但想抓一抓碳纤维，碳纤维上不去，国防安全无保证，将死不瞑目。他希望我“找几个熟悉情况的人，认真研究过去碳纤维搞不上去的原因和今后应该怎样去做。 ”

 

　　师先生长期从事金属材料研究，碳纤维是师先生所不熟悉的领域，而且是一项技术难度很大的系统工程。师先生在快80岁的时候 “想抓一抓碳纤维” ，体现了他忧国忧民的崇高精神境界，国家需要是师先生的最高人生目标。师先生的精神和勇气深深打动了我，当即表示愿意当师先生的助手，协助抓好碳纤维。师先生的意见得到当时科技部高新司石定寰副司长、材料处马燕合处长、八六三计划新材料领域首席科学家石力开等同志的支持，决定在八六三新材料领域立软课题 “聚丙稀腈基碳纤维发展对策研究” ，成立了以师昌绪为组长的软课题组，日常工作由我负责。师先生的呼吁也得到了总装备部、国防科工委、国家计委、中国科学院、国家自然科学基金委员会相关司局以至各部委高层领导支持，由此可见师先生在科技界影响之大，威望之高。

 

　　2000年师昌绪先生提出要抓碳纤维时，正是碳纤维研发处于最困难的低谷时期，只有吉化公司、吉林碳素厂和北京化工学院还在 “惨谈经营” ，维持小批量供货，其他研发单位基本退出了这一领域。

 

　　师先生和各部委的同志都把 “说清碳纤维上不去的原因” 视为重新立项的前提条件，当时马燕合处长还很大度的表示，涉及科技部工作中的错误和失误，尽管放开讲，这有利于未来的工作。但要说清楚碳纤维搞不上去的 “原因” 并不容易。我组织专家撰写分析文章，罗益锋、赵稼祥、蔡华苏和张复涛的3篇文章在《材料导报》2000年第4期和第5期上发表，以编辑部名义写了短评 “总结过去，展望未来” ，核心内容是以总结过去为切入点，找准我国碳纤维研制失误的原因，以求在今后避免。短评由我起草，师先生逐句修改。但要深入总结碳纤维的失误和教训是困难的，一是原因复杂，涉及多个方面，不容易说清；二是涉及具体单位、人员，中国文化的 “含蓄” 性决定了难以畅所欲言。发表的3篇文章都没有把原因说透，为此，师先生认为有必要开一次研讨会，专门总结经验教训，以加深认识，同时扩大影响，利于今后碳纤维立项。 2000年8月28日，国家高技术计划新材料领域专家委员会、中国人民解放军总装备部先进材料技术专业组、《材料导报》编辑部北京分部联名在京召开 “聚丙稀腈基碳纤维发展对策研讨会” ，会议主题是 “总结过去，展望未来——为中国碳纤维事业出谋划策” ，来自全国各地的30个单位、 50多位代表出席了会议，科技部、总装备部、国防科工委、国家自然科学基金委均派人参加。会议反映出对历史教训的不同认识，在对诸如成绩估计、决策失误、部门分割、资金使用、创新能力以及原丝的重要性等方面均有不同见解，主要原因是不愿意本人或本单位的工作得不到肯定或受到批评。但对历史教训仍取得4点共识，即对碳纤维的重要性和技术难度缺乏正确估计；投资严重不足，使用严重不当；形不成国家攻关队伍；缺乏创新意识和创新环境。我以为虽然深度不够，达不到科技部要求，但也大体反应了实际状况，再说过多的话，可能会影响队伍团结。会议最终形成的 “会议纪要” 于9月上旬报送各有关部委。《材料导报》2000年第11期又发表了吴人洁等7篇会议发言。在此基础上，师先生又领导我们继续完成了《聚丙稀腈基碳纤维发展对策研究报告》和《我国聚丙稀腈基碳纤维及原丝研制、生产单位概况》，于2000年12月报送各部委。至此软课题宣告结束。

 

　　以上工作对碳纤维争取 “十五” 研究经费起到重要作用，但师先生认为火候还不够，还要继续努力才能确保“十五” 研究经费的落实。 2000年12月27日，师先生邀请有关部委同志在中国工程院开座谈会，围绕 “十五” 碳纤维研制目标、研究体制和经费来源进行座谈。出席会议的是有关部委的司局长或处长。会议进行了深入讨论，关于经费来源，会上分析了各种方案，大家都支持由师先生给中央领导写信，认为对于经费落实会有促进作用，关于体制问题，大家都认为很重要，曾提到要集中优势力量，打破单位界线，组织国家队，研制单位控制在2 ～3家，建立竞争机制，采用课题制，设立专家小组等。

 

　　2001年1月，师先生给江泽民主席写了 “关于加速开发高性能碳纤维的请示报告” 。 “江办” 将报告批转到国家计委和科技部等部门，产生较大影响，对以后的经费落实起到了决定性影响。

 

　　2001年师先生亲自对碳纤维做了许多调查研究。 2001年9月25日科技部高新司在京召开 “PAN高性能碳纤维研制与开发战略研讨会” ，师先生全程参加2天会议，仔细听取大家发言，并发表了多方面的意见，如师先生强调了基础研究和纤维质量稳定的重要意义，强调实验室成果必须经中试放大考验后才能产业化，提出要加强原丝、碳丝表征、测试技术研究。根据大家的意见，师先生同意将 “十五” 目标做适当调整。

 

　　2001年10月科技部决定设立碳纤维专项， 11月遴选组成了专家小组，由中科院化学所副所长徐坚任组长，北京化工大学徐华任副组长。 2002年2月26日科技部高新司召开八六三计划新材料领域 “十五” 安排通气会，师先生针对碳纤维专项再次提出：一是目标要明确，二是组织形式要创新，要推行联合，不能有门户之见，不能形成 “瓜分体制” ，支持建设高水平的分析测试平台，支持建立公平、公正、高透明的取样评价体系。为了确定碳纤维研究目标，师先生决定再召开一次通气会，把国防部门请来，共同把一下关， 2002年3月6日会议在基金委员会召开，徐坚汇报了专家组制定的 “战略目标论证报告” 后，吴世平、才鸿年、贺守华等同志提出了很中肯的意见，主要有以下几点：纤维的质量和价格都要有约束，要考虑经济规模的生产；目标要集中，要在原丝和高性能上下功夫；有质量和价格优势的品种，要做重点；要吸收优秀人才，引入竞争机制，参加单位不能太多，避免分散等。 2002年3月9日，专家组在太原开会，最后修改审定 “十五战略目标” ，徐坚同志传达了通气会的意见，并按此对战略目标做了若干重要修改。回想起来，师先生主持的 “通气会” ，可以说是在关键的时间讨论了关键问题，提出了关键意见，对 “十五” 研究方向产生了重要影响。

 

　　师先生考虑问题历来是既想到当前又看到未来。当技术研发经费尘埃落定后，师先生又考虑怎样加强基础研究，为 “十五” 之后更高性能碳纤维的持续发展做准备。为此，师先生出席各种会议，多次听取汇报，关注着每个细节，扑捉每个机会。师先生指示我要探讨研究关键科学问题，寻找物色学术带头人，了解可能的经费来源。师先生2002年11月12日给基金委领导些了建议报告，得到积极支持。2003年1月17日，国家自然科学基金委员会批准碳纤维2个重点项目，由“宏观调控经费”资助。2005年碳纤维项目被批准为国家重大基础研究项目（九七三项目），获得了宝贵的基础研究经费。

 

　　当我国碳纤维技术取得进展，产业化起步后，师先生立即把国产碳纤维应用提上日程，努力支持开展相关应用研究，并为此争取专项经费，取得重要成绩。

 

经过科技人员多年的艰苦努力，我国碳纤维技术已取得重大进展，虽然还有诸多问题有待攻克，但我们已经可以不再受制于人。进来，中国大地掀起碳纤维投资热，国有、民营一起上，都要争夺碳纤维市场的蛋糕。虽然这一投资人带有盲目性，笔者并不赞成，但可以预料：未来的10年将是中国碳纤维产业腾飞的时期。看到这些成绩，我认为师昌绪先生作出了重大贡献，他是促进中国碳纤维事业发展的灵魂，是他唤来了中国碳纤维的新世纪！