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中国碳纤维:“苦海有边,回头无岸”

日期:2017年10月24日 13:14

作者简介:徐坚,男,博士,中国科学院化学研究所研究员,高分子材料专业,研究方向为仿生材料。中国科学院化学研究所原副所长。历任国家863计划“十五”新材料领域高性能结构材料主题专家组组长、“十五”碳纤维关键技术专项专家组组长;“十一五”新材料领域专家组组长。现任“十二五”863计划专家委员会专家、“十二五”高性能纤维及复合材料重点专项专家组组长;部际联席战略性新兴产业专家委员会专家;中国材料研究学会、中国复合材料学会副理事长,国际标准化组织ISO/TC202国际主席。

 

纪念师昌绪系列文章之二

从“苦海无边、回头是岸”到“苦海有边、回头无岸”——回顾师昌绪先生为中国碳纤维发展战略布局之二三事

徐   坚

 

材料皇冠上的一颗明珠一聚丙烯腈碳纤维

 

高性能纤维及其复合材料,主要指具有高强高模特性的聚丙烯腈(PAN)碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维及其作为增强体所制备的一类材料,是世界各国发展高新技术、国防尖端技术和改造传统产业的物质基础和技术先导,是我国战略性新兴产业中最主要的发展方向之一。同时具有明显的军民两用特征,对国民经济发展和国防现代化建设具有非常重要的基础性、关键性和决定性作用。

20世纪50年代,由日本学者开发出用聚丙烯腈纤维(PAN)制备碳纤维技术,以日、美等占据着世界PAN碳纤维领域的先进行列,其中日本东丽公司以二甲基亚砜(DMSO)原丝技术于70年代初开发成功碳纤维强度为3.0GPa的T300级之后,先后开发成功强度为4.9GPa的T700级、5.5GPa的T800级和7.06GPa的T1000级碳纤维工业化技术,确保了其世界领先的地位,并对中国实行了高性能小丝束碳纤维技术的严格封锁和产品的禁运。

我国从20世纪60年代初期即开始了PAN原丝及碳纤维的研究工作,1975年11月张爱萍将军主持的“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,对几乎所有可能的溶剂工艺路线都进行了探索。但非常遗憾的是,由于体制机制、基础科学、工程技术、工业装备等诸多原因,我国一直停留在低性能碳纤维水平上,仅仅由吉林碳素厂和吉林石化公司制备的少量碳纤维作为烧蚀材料供货。国防军工用于结构材料的高性能碳纤维几乎全部依赖国外产品。到20世纪末,国防军工结构材料用的碳纤维无货可供,更谈不上自主知识产权的技术,此时国防军工迫在眉睫急需100吨、民口4500吨的碳纤维全部依赖进口。与国际快速发展的碳纤维技术相比,我国在PAN原丝及碳纤维领域与国外先进水平相差甚远,工程化技术没有得到有效的突破,技术发展方向存在较大分歧。碳纤维成为中国材料界久攻不克、举步维艰、进退维谷的最大难点之一。

 

新世纪中国材料界的重大战略决策-碳纤维研发征程再启

 

作为我国为数不多的战略科学家、两院院士师昌绪先生敏锐地看到了聚丙烯腈碳纤维对国防军工的制约性和国民经济可持续发展重要性,此时正是相关部门和众多单位面对碳纤维久攻不下的严峻局面,信心不足,避而远之,国内碳纤维研发处于最困难的低谷时期。2000年师老牵头,召集了李克健、赵稼祥、罗益锋、石力开、石定寰、马燕合等几位同志,先后举行了数次研讨会,发起了中国碳纤维技术攻关的又一轮战略构思。

2001年1月,师老给中共中央“关于加速开发高性能碳纤维的请示报告”的函件得到了中央主要领导的高度重视,2001年10月国家科技部决定设立碳纤维关键技术专项(代号304专项)。如果从1962年中国科学院长春应化所李仍元先生和沈阳金属研究所张名大先生开展碳纤维研究为起点,中国已经走过了40年的艰辛历程;如果从7511会议计,也历经近30年的艰苦攻关,而此时我们依然徘徊左右,不得入门之要领。

根据师老“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”的战略设计,科技部相关领导和“十五”863计划新材料领域专家委员会调用了时任“十五”高性能结构材料专家组组长的我去兼任304专项专家组组长,按照当时的863相关规定,一个人不能同时任两个专家组的专家,更何况两个专家组组长,这成为了当时863计划的一个特例,或许与我的高分子专业背景有关,但更重要的是,师老希望专家组组长应该超脱一些,从战略层面布局和管理该专项,这一点在专项工作展开后显现其重要性和高瞻远瞩性。304专项的设立成为在新世纪中国碳纤维再一次发起技术攻关战役的起点。

经过认真调研和分析,专家组提出了“十五”304专项在战略目标和运行机制方面进行大幅度的调整,主要包括:明确PAN原丝作为突破口;设立PAN碳纤维独立考评机制;构筑共享公用的表征测试平台;建立了战略调研、专利和技术信息共享机制;形成以企业工程化研发为核心的体系。

当时各个部门、单位基于本身对碳纤维理解和自身基础,提出了众说纷纭的各种攻关方向,各种意见、争议、矛盾如此错综复杂和尖锐对立,始终贯穿于304专家组从2002年2月启动、历经五个月碳纤维发展战略规划、指南编写及其论证过程中。其中,2002年2月26日科技部高新司召开“863”计划新材料领域会议上,师老针对304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;2002年3月9日太原会议上,针对应用国外原丝/国内碳化可以稳定制备T300级碳纤维、而应用国产原丝/国内碳化无法得到稳定化碳纤维的状况,专项专家组提出PAN原丝是重中之重的主攻方向,师老再一次针对碳纤维关键发展方向表达了一锤定音的意见,对“十五”研究方向产生了关键影响,最终使与会人员达成了求同存异的共识。至此以2001年1月304专项成立、到2002年6月专项项目指南发布、7月22--24日项目答辩评审、2003年1月项目启动为标志,在师昌绪先生的战略性总体策划下,中国碳纤维技术研发再一次重启征程。

在此过程中,中国石油、中国科学院、教育部、中钢集团的同志们给与了积极支持。在随后的战略调研、专利和技术信息共享工作中,李克健、罗益锋、赵稼祥同志做出了卓越的贡献,第一次将2003年前世界上碳纤维专利进行了系统的收集、翻译、归纳和总结。在PAN碳纤维第三方独立考评工作中,以赵稼祥为组长的评估专家组同志们不辞辛苦,奔波在大江南北,碳纤维研发和工程现场,为此专门出台了第三方现场取样、双盲测试的管理办法。在建立表征测试平台和共享公用过程中,航天703研究所、中国科学院化学研究所的全力支持,并集中国内优势的科研力量,编制了世界上第一份碳纤维原丝结构形态分析表征的国家标准。这些默默无闻的大量工作及其公开共享公用机制的推进,有效地促进了碳纤维研发的工作进程。这种“技术集成,共享公用”机制与当时部分研发中相互防范、各自为政、画地为牢的“小农观念”形成了极其鲜明的对比。

 

碳纤维十年艰辛历程-“苦海有边、回头无岸”

 

到2003年11月(专项项目立项启动10个月),由评估专家组独立取样、第三方盲测的PAN碳纤维独立考评数据第一次出炉,令所有同志们大吃一惊的是,参与考评六家国内优势单位的碳纤维,居然没有一家能够完整达到日本东丽公司最低档T300级碳纤维强度、模量、伸长率三个指标(含离散度)。我们开始分析这种差距的原因,并与相关人员进行了了交流,深感在研发材料结构及原理基础之上,生产制备及工艺路线控制也是未来要实现批量稳定化的关键,我们不仅要从试验中拿出一段达标的样品来进行检测,而更重要的还是要向需求方提供合格的产品。从“样品到产品”也就成了“十五”期间的主攻方向。这势必要求我们必须要把这个硬指标让304专项扛起来,这就要求我们阳春白雪的科研人员必须到田野山间下地耕田,而此时距离“十五”计划结束只有短短的两年时间,压力之大可想而知。2003年12月23日在香港科技大学举行新材料发展趋势研讨会期间,我怀着相当沉重的心情向师昌绪先生做了汇报,用了“苦海无边、回头是岸”8个字做结束语,作为一代材料大师的师昌绪先生听完汇报。沉思少许说:国外不会给我们碳纤维,回头的岸是没有了;但中国要崛起,必须有高性能碳纤维,当年造原子弹,国家经济条件多差呀,但科研人员对国家的信仰,在国家面前舍小家,在自我面前看大局,两弹才在短时间内被攻克。小徐,你是这个团队的组长,困难也许比想像的多,但我们的目标在,努力的方向就在,你要多付出很多精力组织协调,甚至妥协。你要带着304专项专家组同志们重拾信心、而绝不是轻言放弃,我送给你八个字:“苦海有边、回头无岸”。这次对话深深触动我的灵魂,也真正成为我人生的一个转折点。

专家组成员经过对PAN碳纤维独立考评数据的认真细致分析,结合吉林大学对国内外碳纤维微缺陷参数检测结果,适时提出要进一步强化PAN原丝制备中对微缺陷控制和提高PAN纤维牵伸倍数至十倍以上,同时适当调整了重点支持方向:引入国营/民营企业公平竞争机制。

在这里不得不提到一位叫孙玉忠的同志,作为威海科技局高新科科长,数十次不懈努力让304专家组专家去一个民营企业威海光威集团现场考察和取样,在当时这样一个高技术项目在国家数十年持续投入下高校院所、国有大型企业均尚无结果、民营企业能行?更何况涉及国防军工关键材料?当谭可荣同志让我亲自去一趟时,我仍然将信将疑,在考察现场后我答应将其纳入PAN碳纤维独立考评体系。在随后第一次独立测评中,光威集团碳纤维与T300级指标最接近。后来的事实证明,正是民营企业机制体制优势和认真听取提高原丝牵伸倍数至十倍以上的建议,光威集团下属拓展纤维有限公司率先在国内全面突破了T300级碳纤维工程规模制备,并成为航空集团的定点供货单位,为此师老多次亲临威海现场指导并主持了技术验收/鉴定。曾经有专家形象地表达为“土八路打败了国军、地方军赢了野战军”。在2005年航天用碳纤维由中国科学院山西煤炭化学研究所实施科工委一条龙项目,3年后在航天领域开始了国产碳纤维的应用。

到2005年底,中国聚丙烯腈碳纤维研发已经有了根本性的改观,解决30年来困扰我们国防建设关键材料的难题之一-CCF-1级(相当于日本东丽T300)碳纤维的工业规模制备关键技术,开始向国防工业供货。304专项达到了“十五”预定目标:实现CCF-1高性能聚丙烯腈碳纤维中试规模的稳定生产, 突破了CCF-3级碳纤维的实验室吨级制备技术(相当于日本东丽T700),建立了面向全国的公用测试平台。已建设了年产1~25吨实验线和中试生产线共计五条,静态投资已达到1亿元以上;在建和进入工程设计经济规模的百吨级和千吨级工业生产线共计四条,投入的社会资金超过10亿元。

“十一五”期间,随CCF-1碳纤维技术瓶颈的突破性进展,各个部门地方开始重视碳纤维,形成了全国范围的碳纤维热。在各方发展理念、技术路线不同的复杂格局下,乃至对“十五”建立的PAN碳纤维独立考评机制也提出不同的意见,对成立863计划碳纤维专项专家组亦未形成一致意见。尽管如此,在科技部相关部门坚持不懈努力下,设立了碳纤维专项,并应用重点项目资金进一步扩展到支持了芳纶II、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维复合材料,为战略性新兴产业布局和师老酝酿提出的新材料产业重大专项提供了技术支撑。值得指出的是,在此困难情形下,师老大声疾呼管理部门继续支持863新材料领域专家组从严管理、坚持第三方考评工作,其中航空621研究所、航天703所、中科院化学所的同志们始终如一地参与了第三方考评工作,为中国碳纤维产业发展过程中保持实事求是提供了条件保障。此时,碳纤维的研发进展引发了全国性的“碳纤维热“,民企国企盲目重复投资建设了一批碳纤维生产线,我们又不得不反过来在不同场合呼吁理性投资。师先生为此忧心忡忡,他说,这样一窝蜂上项目,其中还有很多工艺技术需要克服,有的民企一下投进去上亿元项目,进去了才知道万里长征才走了第一步,到时又埋怨国家不支持他们,这会影响整个产业健康发展的。先生对此担忧是有道理的,5年后不幸言中,原丝原料价格上涨,国外市场开放,启动价格战对付中国新生的碳纤维产业,很多企业出现了难以为继的困难局面。

在大力推进碳纤维技术攻关的同时,2004年师昌绪先生及时而敏锐地提出,碳纤维相关基础性研究严重滞后和薄弱,若干深层次的科学问题亟待解决,否则会制约了高性能PAN碳纤维的发展,必须提前布局聚丙烯腈碳纤维的重大基础科学问题研究。除基金委立项重点项目外,他大力推进973项目的申请和立项工作,在经过两年凝练目标和努力申报基础上,2007年由我为首席科学家的973项目《高性能聚丙烯腈PAN碳纤维基础科学问题》成功立项,通过四年系统基础研究,在高性能PAN原丝和碳纤维的应用基础研究方面取得了一系列进展,如PAN分子设计、溶胶-凝胶和有机-无机两个转变过程的精确控制、纤维微缺陷调控、界面复合、分析表征方法标准化等。碳纤维主要力学性能达到相当于日本T800 和M40指标,大部分973科研成果均已在工业线上得到试验和实施,国内主要的碳纤维生产企业都参与了工程化过程。该973项目于2010年获得了持续支持,题目是《超高性能与低成本聚丙烯腈碳纤维的科学基础及共性问题研究》,研究内容针对超高强度(T1000级)与超高模量(M55J级)PAN碳纤维制备过程中分子设计、结构形态调控和稳定化制备的关键科学问题,支撑高性能碳纤维制备技术研发;为工程化高性能PAN碳纤维稳定化和规模化制备发展若干原位和高效的分析表征新方法,为我国主要碳纤维生产企业提供分析表征技术支撑;发展有效降低现有PAN碳纤维制备成本的新方法、新途径;开展碳纤维表界面与失效机制相关性研究,解决碳纤维表面结构设计、耐高温、高强度界面结合和失效机制等共性问题。

进入新世纪第3个五年计划,相关专项已从“碳纤维关键技术专项”更名为“高性能纤维及复合材料重点专项”, 在科技管理部门的强力支持下,关键技术研发范围已得到极大的拓展,并正在顺利的推进过程中。

回顾从2001年10月科技部设立304专项以来,在12年持续不懈努力科技攻关的基础上,我国高性能纤维制备科学技术与应用技术取得了重大突破,从完全依赖进口、无法制备出合格的T300级碳纤维的极为窘迫尴尬状况,到目前已建立起CCFM-550 (M55J级)、CCF-4 (T800级)、CCF-3(T700级)、CCF-1(T300级)的聚丙烯腈碳纤维制备技术研发(吨级试验线)、工程化(百吨级中试线)和规模产业化(千吨级生产线)较为完整的产业体系,产品质量不断提高,规范标准初具系统、规模应用格局初步形成,不但解决了国产高性能碳纤维“有无”问题,有效缓解和基本满足了国防建设对结构材料用国产高性能碳纤维极为迫切的需求,而且迫使日美等国家不得不把中国作为一个对手认真看待,大幅度降低碳纤维价格来与国内企业进行竞争。

 

科技没有国界,科学家有祖国-爱国、正直、无私的一代宗师典范

 

常言道:科技没有国界,但科学家有祖国。从新中国成立之初,师昌绪先生等一批爱国科学家毅然决然放弃国外的优越条件,突破外国政府对他们的重重封锁,辗转回到战后满目沧夷,一贫如洗的祖国,所以才有这样一个人,在80高龄的耄耋之时,奔走呼吁各部委和院所之间,倡导推进中国碳纤维新一轮科技攻关;到90岁鲐背之年,依然孜孜不倦思考着中国新材料产业的未来发展。这是怎样的家国情怀?这怎不令我等后辈引以为感!

从2000年倡议中央立项碳纤维、2001年中力排众议确定原丝主攻方向、2003年底鼓励我们坚持不懈攻克碳纤维难关、2006年坚持独立评估机制和加强碳纤维基础研究、到2010年提出发展中国新材料产业的重大战略设计,新世纪的第一轮年之间,在中国碳纤维发展历史上的几个关键转折点上,无不充分体现了师昌绪先生这样一位忠诚爱国、正直无私的战略科学家和一代材料宗师的高尚人格和珍贵品质。

与师老相交十余年,从未见他为自己的卓越贡献说一个字,记得仅有一次先生轻轻问我一句:有人讲,做战略决策不是科学家的科技工作?我极其诧异地回复:在中国,不缺承担具体研究工作的高造诣学者,我们最缺的具有战略眼光、把握全局的战略科学家!再追问之,师老莞尔一笑,摇摇头,不再言语,我想这就是人生境界,大家和小家的风范。

正谓管仲之语:一年之际,莫如树谷;十年之际,莫如树木;终身之际,莫如树人。一树一获者,谷也;一树十获者,木也;一树百获者,人也(摘自《管子·权修》),师老同时也高度注重培养了中国碳纤维的高级人才,众多碳纤维研发人才得到了他的谆谆教诲和指点鼓励,我只是年轻学者中收益获得最多的之一。人才、平台、项目的三位一体成为了中国碳纤维产业可持续发展的重要基础和珍贵财富。

跟随师昌绪先生12年间亲身参与中国碳纤维科技攻关的战略研究、科技管理和具体研究的我,作为一名管理专家和负责具体分析检测的学者,以师昌绪先生为楷模,把共享公用的理念贯彻于日常工作中,为中国碳纤维进步力尽自己的菲薄之力。事实证明,只要我们摒弃小我、心地无私、实事求是、公平公正、共同努力、坚持不懈,没有中国人不能够做到的事情。

2003年12月23日摄于香港科技大学

今天的中国,碳纤维民营企业从“唱小调”角色成为了“主角”;优势生产企业的半壁江山源自中国科学院研究所的技术支撑;共享公用检测平台成为中国碳纤维崛起的幕后见证者!

回顾历史、温故知新,师老在碳纤维战略性布局上的海纳百川的宽阔胸襟和高瞻远瞩的战略眼界,科技管理部门和专家组成员的创新协同,成就了中国碳纤维事业在新世纪的头十二年间的突破性进展!

2010年2月1日在国家基金委办公室

中国的碳纤维事业已从“苦海无边、回头是岸”到“苦海有边、回头无岸”,东方曙光初现、旭日喷薄欲出!

 

   致谢:本人深深感谢所有为中国碳纤维事业做出过贡献的同志们和同行们。

本文原载于《师昌绪院士战略思维与实践足迹》

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