中國高性能碳纖維技術(shù)打破國際長期壟斷

    陳惠芳教授與她的團(tuán)隊積極探索科技創(chuàng)新。 受訪者供圖。

一根僅有頭發(fā)絲十分之一粗細(xì)的高性能碳纖維，拉伸強(qiáng)度是鋼的7至9倍，而比重僅有鋼的四分之一；在幾千度的高溫下，別的纖維早已化為灰燼，它卻紋絲不動，這種神奇的纖維，已成為當(dāng)今航空航天、國防軍用、建筑、交通、體育休閑等領(lǐng)域的“香餑餑”。

東華大學(xué)材料學(xué)院陳惠芳科研團(tuán)隊聯(lián)合中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司完成的“干噴濕紡千噸級高強(qiáng)/百噸級中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項目，8日獲得2017年度國家科技進(jìn)步一等獎。

陳惠芳教授帶領(lǐng)團(tuán)隊開展研究。 受訪者供圖。

該項目突破干噴濕紡千噸級高強(qiáng)/百噸級中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了國產(chǎn)碳纖維的批量供應(yīng)，填補(bǔ)了國內(nèi)以干噴濕紡工藝為代表的高性能碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的空白，打破了國外高性能碳纖維企業(yè)在中國市場的長期壟斷。

中國碳纖維市場長期處于進(jìn)口產(chǎn)品壟斷狀態(tài)，高昂的進(jìn)口價格和嚴(yán)苛的技術(shù)封鎖嚴(yán)重制約著中國碳纖維的發(fā)展。

從1982年畢業(yè)留校工作至今，陳惠芳數(shù)十年如一日，全身心投入到高性能碳纖維研究這件事上去。她將目光投向了干噴濕紡工藝，這一被認(rèn)為是今后碳纖維生產(chǎn)的主流工藝，但也是碳纖維行業(yè)公認(rèn)的難以突破的紡絲技術(shù)，目前在國際上僅有日本的個別公司掌握這一工藝。

研究初期硬件條件有限，陳惠芳和團(tuán)隊成員利用一臺廢舊的單絲強(qiáng)力儀的螺桿改造出一臺單孔紡絲機(jī)，便在這臺看似簡易的紡絲機(jī)上開始摸索實踐干噴濕紡技術(shù)。為了實現(xiàn)干噴濕紡工藝中的高倍拉伸，團(tuán)隊還自行設(shè)計、研制了高壓蒸汽拉伸機(jī)，為了達(dá)到最優(yōu)的實驗結(jié)果，對機(jī)器也是不斷地調(diào)整革新，光是高壓蒸汽拉伸機(jī)就革新了四代。

通過不斷摸索、反復(fù)試驗，陳惠芳科研團(tuán)隊與合作企業(yè)終于突破這種制備高性能碳纖維的先進(jìn)技術(shù)。這一關(guān)鍵技術(shù)的突破使得紡絲速度變?yōu)閭鹘y(tǒng)濕法紡絲的5倍，而同時開發(fā)出的干噴濕紡原絲快速預(yù)氧化技術(shù)，也大大提高了生產(chǎn)效率。

取得干噴濕紡關(guān)鍵技術(shù)突破后，研究團(tuán)隊開發(fā)了均質(zhì)聚合系統(tǒng)、高效環(huán)保脫單、穩(wěn)定干噴濕紡、節(jié)能預(yù)氧化的成套技術(shù)，最終中國首個采用干噴濕紡工藝的千噸級碳纖維生產(chǎn)線正式投產(chǎn)，制備出能與國際同類產(chǎn)品性能相當(dāng)?shù)奶祭w維產(chǎn)品。

如今，隨著技術(shù)的不斷革新改進(jìn)，該條生產(chǎn)線每年能生產(chǎn)近5000噸原絲和2000噸碳絲，產(chǎn)品實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化并批量供應(yīng)市場，極大促進(jìn)了中國碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

“我們做的只是實驗室的一件小事，在實驗室把基礎(chǔ)理論研究做通做透，攻克技術(shù)難題，高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化的大事要交給企業(yè)去完成，去給社會創(chuàng)造更大效益！”陳惠芳說自己只是做了科研人員該做的事，從實驗室到市場的“最后一公里”需要有擔(dān)當(dāng)有實力的企業(yè)去打通。而在此次國家科技進(jìn)步獎評審的答辯中，項目第一完成單位、中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司的董事長張國良則把這份榮譽歸功給了學(xué)校：“企業(yè)產(chǎn)業(yè)化的突破離不開東華大學(xué)老師們的基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)攻克。”

在關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的過程中，陳惠芳帶著科研團(tuán)隊經(jīng)常往返于上海、連云港兩地，在連云港企業(yè)車間的生產(chǎn)線上緊盯每一道工序。從實驗室的技術(shù)突破到產(chǎn)品工業(yè)化還是有區(qū)別的，一些實驗室里的小問題一旦擺到生產(chǎn)線上就會被放大。整個碳纖維的生產(chǎn)，從前到后，中間控制的有三千多個工藝點，每一個工藝點都要進(jìn)行嚴(yán)格穩(wěn)定的控制，哪個工藝點參數(shù)發(fā)生了變動，碳纖維質(zhì)量馬上就不行了。陳惠芳科研團(tuán)隊和企業(yè)工作人員協(xié)同合作，不斷調(diào)試方案和關(guān)鍵技術(shù)，一旦發(fā)現(xiàn)問題就地解決。

雖然科研過程中難免遇到不少“攔路虎”，但是天性樂觀的陳惠芳始終堅信一定能夠啃下高性能碳纖維研制這塊“硬骨頭”。陳惠芳表示，未來高性能碳纖維在大飛機(jī)、新能源汽車等領(lǐng)域都有著很大的應(yīng)用前景，她和她的團(tuán)隊對高性能碳纖維的研究不會止步，而高性能碳纖維要實現(xiàn)完全自主國產(chǎn)化依舊需要不斷地技術(shù)攻關(guān)，她希望能用畢生精力去圓她的中國夢——讓中國高性能碳纖維更“強(qiáng)”。（中新網(wǎng)上海1月8日電  許婧 朱一超）