师昌绪与中国碳纤维研究

2010-12-13 09:29 来源: 科学时报
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久攻难克的碳纤维技术

  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。由于碳纤维在航空航天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,使得武器性能大幅度提高。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,当时国防科工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,并制定了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多家研究和单位企业参加。这次会议对促进中国碳纤维研究起到了重要推动作用,参与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,并应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,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,和国外产品质量差距越拉越大,无法用以制备大量需要的航空航天结构材料。

  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年,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。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。吉林化学工业公司经过谈判、考察,最终购买了一些碳化设备及相应测试仪器。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。因为没有厂家愿意出售设备和技术,最后由北京化工学院提供工艺参数,委托英国RK公司加工预氧化、炭化中试线。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。

  两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。

  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,使碳纤维研发成为一块令人望而生畏的“烫手山芋”。

师昌绪:想抓一抓碳纤维

  2000年初,师昌绪对我说,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。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”。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,碳纤维是他所不熟悉的领域,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精神境界。师先生的精神和勇气也打动了我,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副司长石定寰、材料处处长马燕合、“863”计划新材料领域首席科学家石力开等同志的支持,决定在“863”新材料领域立软课题“聚丙烯腈基碳纤维发展对策研究”,成立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领导的支持。

  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,许多研发单位基本退出了这一领域。

  师先生把“说清碳纤维上不去的原因”视为重新立项的前提条件。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、人员时,中国文化的“含蓄”性决定了难以畅所欲言。

  2000年8月28日,国家高技术计划新材料领域专家委员会、总装备部先进材料技术专业组、《材料导报》编辑部联名在京召开“聚丙烯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”。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。会议对历史教训仍取得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。在此基础上,师先生又领导我们继续完成了《聚丙烯腈基碳纤维发展对策研究报告》和《我国聚丙烯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。

  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。会议深入讨论了经费来源问题,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》。该报告产生较大影响,对以后的经费落实起到了重要影响。

  2001年10月,科技部决定设立碳纤维专项,当年11月成立了专家小组,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“863”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关。2002年3月6日,会议在国家自然科学基金委员会召开,会议提出对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”,并按此对战略目标作了若干重要修改。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。

  2002年11月12日,师先生给基金委领导提出建议报告,并得到积极支持。2003年1月17日,国家自然科学基金委员会批准碳纤维领域两个重点项目,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,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。

  (作者系国家新材料产业发展战略咨询委员会副秘书长,曾任基金委综合计划局副局长、工程与材料科学部常务副主任)