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科普平羅
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潔凈的廠房里,高性能碳纖維生產(chǎn)線一刻不停地高速運轉(zhuǎn)著。

透明的聚丙烯腈紡絲溶液,穿過有成千上萬個微米級小孔的噴絲板,噴出的白絲被數(shù)不清的輪子拉扯著向前,穿過蒸汽、蹚過油劑,再穿過烘干機,越扯越細,直到每根絲如羊毛一般。

之后,白絲被運到另一條生產(chǎn)線上,繼續(xù)被輪子拉扯向前。數(shù)百攝氏度的氧化爐,讓白絲變得焦黃;上千攝氏度的碳化爐,又讓黃絲變得烏黑。千錘百煉后,“人工羊毛”變成了“黑色黃金”,成為航空航天尖端裝備中一種不可或缺的材料——高性能碳纖維。

很少有人知道,這套位于山西太原的生產(chǎn)線之所以能夠化“腐朽”為“神奇”,是因為背后有一支國家戰(zhàn)略科技力量。中國科學院山西煤炭化學研究所(以下簡稱山西煤化所)科研團隊的技術(shù)支撐,讓國產(chǎn)高性能碳纖維走上了一條從無到有、從小到大的路。

在科研人員的印象中,故事要從我國第一條宇航級T300碳纖維生產(chǎn)線的誕生說起。

1 立下“軍令狀”

碳纖維具有輕質(zhì)高強的特點,常被用在航空航天飛行器上。飛行器的運動速度高、過載大,對材料強度和變形有嚴格要求,而商用飛機每減重一公斤,一年就能節(jié)約3000美元的燃料,航天飛行器每減重一公斤,就能節(jié)約1萬美元的燃料。除此之外,它在汽車、發(fā)電設(shè)備和體育器械等領(lǐng)域也有廣泛應用。

然而,世紀之交,我國尖端領(lǐng)域使用的高性能碳纖維供應一度緊張,價格飛漲。2001年初,年過八旬的兩院院士師昌緒呼吁國家大力發(fā)展國產(chǎn)高性能碳纖維。很快,我國開始高度重視碳纖維的國產(chǎn)化研究,并啟動了“863”計劃相關(guān)專項。

到2005年前后,形勢越發(fā)嚴峻,日本、美國加緊對我國碳纖維技術(shù)的封鎖和產(chǎn)品的禁運,導致我國高端領(lǐng)域用碳纖維陷入“斷糧”境地,不少國家重要尖端裝備“無米下炊”。

2005年春天的一個下午,時任山西煤化所所長孫予罕接到一通電話:“院領(lǐng)導正在寬溝開會,明天下午4點前你務必趕到寬溝,有急事,你一個人來?!?/p>

打電話的人是當時的中國科學院高技術(shù)研究與發(fā)展局學術(shù)秘書蔡榕。從蔡榕急促的語氣里,孫予罕意識到事情的緊迫。第二天一大早,他開車直奔位于北京郊區(qū)的寬溝會議中心。當天下午,孫予罕坐進會議室,他的對面坐著多位中國科學院領(lǐng)導。

孫予罕至今記得,他被問了一個很直接的問題:“國家急需宇航級T300碳纖維,山西煤化所能不能擔起這項任務?”

短短一句提問里包含的信息量極大。孫予罕遲疑了。

“T300”是日本東麗公司研發(fā)的碳纖維牌號,“T”代表拉伸強度,后面的數(shù)字越大,碳纖維的力學性能指標就越高。橫截面1平方毫米的T300碳纖維,可以吊起重約百公斤的物體。這樣的性能,讓它成為一些重要裝備所用復合材料的重要組成部分。

當時,山西煤化所在高性能碳纖維研制方面已有30多年的積累,是中國科學院最早研究碳纖維的研究所之一。上世紀六七十年代,所里的老一輩科學家在基本無參考資料的情況下,突破系列關(guān)鍵技術(shù),建成我國第一條聚丙烯腈基碳纖維氧化碳化中試生產(chǎn)線,并生產(chǎn)出“高強Ⅰ型”碳纖維。這種碳纖維的性能雖遠低于T300,卻解了當時國家的燃眉之急。

此后,科研人員雖然研制出了T300碳纖維樣品,但與進口產(chǎn)品相比,性能差距大、生產(chǎn)工藝和裝備控制精度不足、產(chǎn)品性能穩(wěn)定度差、生產(chǎn)規(guī)模小。更嚴峻的是,國家需求的節(jié)點擺在那里——2008年6月30日前必須確保產(chǎn)出能滿足應用需求的宇航級T300碳纖維,而2005年時,大家連“宇航級”包含哪些性能指標都不是十分清楚。

看到孫予罕遲疑,院領(lǐng)導承諾會全力協(xié)調(diào)院內(nèi)外相關(guān)力量給予協(xié)助。

孫予罕點點頭:“好,我們干?!?/p>

當晚,孫予罕趕回太原,召集研究所領(lǐng)導班子成員和高性能碳纖維研發(fā)的業(yè)務骨干開會。

會上,碳纖維技術(shù)帶頭人、山西煤化所研究員呂春祥感受到一股撲面而來的壓力。當時,他正帶領(lǐng)團隊開展碳纖維的基礎(chǔ)研究工作。他知道,這項新任務與他們?nèi)粘5目蒲泄?jié)奏截然不同,將帶來不同尋常的新挑戰(zhàn)。

“當時我們的T300碳纖維處于有成果沒技術(shù)、有技術(shù)沒產(chǎn)品的狀態(tài),制備幾根絲沒問題,但是要批量生產(chǎn),還要滿足極其苛刻的指標要求,很難。”呂春祥回憶。

有關(guān)資料表明,日本東麗公司從研制出共聚聚丙烯腈原絲到生產(chǎn)出T300大約用了五年時間,改進、完善和提高質(zhì)量大約用了十年時間。但是,留給中國科學家的時間只有三年。

挑戰(zhàn)來臨,現(xiàn)實沒有給他們留任何退路。呂春祥把心一橫:“‘干了,死了’總比‘不干,死了’強?!?/p>

2 吹響集結(jié)號

2005年5月16日,呂春祥寫出了T300碳纖維工程化研制項目建議書的初稿;7月末,山西煤化所將完善后的建議書上報給國家有關(guān)部門,申請承擔宇航級T300碳纖維的工程化研制任務。

在討論T300碳纖維技術(shù)方案時,大家發(fā)現(xiàn),碳纖維生產(chǎn)所需的兩種關(guān)鍵輔料還沒有著落,一是油劑,二是上漿劑。

油劑和上漿劑分別被用在原絲生產(chǎn)和氧化碳化幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié),它們既能讓幾千根絲合成一股不散,又能保證被合成股的線搓回絲狀。更重要的是,這兩種輔料直接影響碳纖維的表面結(jié)構(gòu)和之后制成的復合材料的性能。

那年秋天,一次會議上,中國科學院開始組織多個實力雄厚的院屬單位共同參與項目攻關(guān),其中化學研究所(以下簡稱化學所)負責研制油劑,上海有機化學研究所(以下簡稱上海有機所)、長春應用化學研究所負責研制上漿劑。

任務布置后,各所的參會代表吃了頓午飯。飯桌上,大家嘴上打趣說“這是‘鴻門宴’”,心里卻憋了一股勁,“干不成就提頭來見”。

接到任務后,各個研究所分頭行動起來。例如,上海有機所在時任所長姜標的領(lǐng)導下,迅速匯聚單位在有機化學研究領(lǐng)域的核心技術(shù)力量,形成一支以曹阿民研究員為核心的十余人攻關(guān)團隊,包含了高分子化學、紡織材料、復合材料等多領(lǐng)域的人才隊伍,開始對上漿劑進行集中研發(fā)攻關(guān)。

就在中國科學院以建制化力量支撐宇航級碳纖維研制時,山西煤化所內(nèi)部也在集結(jié)攻關(guān)隊伍。

研究所級別的攻關(guān)總體組很快成立,所長孫予罕任組長,呂春祥和時任所長助理李燕生任副組長。所里多個研究部門的優(yōu)秀科研人員聚集起來,形成了一支20多人的核心團隊和百余人參與的攻關(guān)隊伍,所里又增派副所長韓有清駐工程試驗現(xiàn)場協(xié)調(diào)處理問題。攻關(guān)總體組還采用了航天工程“兩總制”組織管理方式,由孫予罕負責項目統(tǒng)籌、呂春祥負責技術(shù)攻關(guān)。

隨后,國家項目正式批復。國家成立專門的攻關(guān)領(lǐng)導小組,中國科學院為成員單位。

就這樣,在國家項目經(jīng)費和中國科學院配套經(jīng)費的支持下,山西煤化所承擔起宇航級碳纖維工程化的科研攻關(guān)任務和生產(chǎn)線建設(shè)任務。

2006年3月22日,中國科學院2006年度工作會議再次強調(diào),“中國科學院作為國家戰(zhàn)略科技力量”,要“著力提高保障國家安全的能力,并為我國未來和長遠發(fā)展積累雄厚科技基礎(chǔ)”。

此時,在太原小店中試基地,攻關(guān)項目負責同志、高性能碳纖維技術(shù)業(yè)務骨干圍坐在一起,對著一塊大白板,一步步倒推進度節(jié)點,分析每個環(huán)節(jié)可能遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)和工程難題。在白板密密麻麻的字跡里,一張小店試驗線建設(shè)的“作戰(zhàn)圖”浮現(xiàn)出來。圖的左側(cè)寫著工程節(jié)點時間,右側(cè)標注了每個人的任務分工。

看著“作戰(zhàn)圖”上的時間節(jié)點,孫予罕走到呂春祥面前,輕聲問:“小呂,行不行?”

“行!”呂春祥說。此刻,他默默地告訴自己:“豁出去了,不行也得行。”

3 小店試牛刀

“作戰(zhàn)圖”里,有兩個讓呂春祥壓力很大的節(jié)點,一是“4月24日,成線可看”,二是“4月30日,紡出原絲”。

這兩個節(jié)點,都與原絲工程化試驗線有關(guān)。

T300碳纖維用的原絲,類似日常生活中常見的腈綸。當時,山西煤化所在原絲工程化試驗線上的建設(shè)經(jīng)驗,不及在氧化碳化線上的建設(shè)經(jīng)驗豐富。適合T300的原絲工程化試驗線的建設(shè),成了小店中試試驗過程中最難啃的一塊“硬骨頭”。

呂春祥馬不停蹄地帶著團隊設(shè)計工藝流程,研制聚合釜、脫單塔、噴絲頭、蒸汽牽伸機等關(guān)鍵設(shè)備,尋找合適的生產(chǎn)原料……

2006年4月23日,周日,原絲工程化試驗線迎來管道注水冷試車的節(jié)點。然而,晚上11點多,安裝工作負責人突然發(fā)現(xiàn)水灌不進去。大半夜,安裝工作負責人急得直掉眼淚。此時,距離安裝成線的最后期限只剩下不到24小時。最后,經(jīng)過20個小時的查探和處理,4月24日晚上10點,問題終于得到解決。

4月30日,又是一個周日,下午5點,原絲工程化試驗線收取了數(shù)軸亮白的原絲?!斑@是小店原絲工程化試驗線研制過程中的一個重要進展。”呂春祥回憶。

但是,沒有人停下來慶祝,因為后面還有一道道難關(guān)等著他們,首要難關(guān)就是確保原絲性能的穩(wěn)定。

之后,根據(jù)原絲的質(zhì)量,科研人員反過來再調(diào)整試驗線上的工藝。歷經(jīng)半年,試驗近百釜,原絲性能終于穩(wěn)定下來。

與此同時,上海有機所的上漿劑和化學所研制的油劑也取得突破。例如,上海有機所團隊攻克了上漿劑與碳纖維表界面分析及匹配、樹脂關(guān)鍵原材料合成制備、乳液配方體系優(yōu)化、均質(zhì)乳化分散技術(shù)等難題,最終研制得到適合于T300碳纖維的K系列專用水性乳液型上漿劑,破解了T300碳纖維無上漿劑可用的困境。

那段時間,小店中試基地的一舉一動都牽扯著大家的心。呂春祥干脆住在基地的板房里,最久的一次有18天沒回家。中國科學院安排蔡榕作為項目“專務”每周去小店試驗現(xiàn)場實地了解工程進展。用戶單位的技術(shù)人員也時常住在基地,和研究團隊共同討論技術(shù)問題,協(xié)商進度。

2007年6月,太原小店中試基地的T300碳纖維工程化試驗取得階段性成果,批量制品達到T300碳纖維的基本指標。但是,由于當時技術(shù)認識水平和裝備水平的局限性,工程化試驗線還存在精度不夠、產(chǎn)能不足的問題。

“需要建設(shè)更高水平、更大規(guī)模的工程化試驗線,全面掃清科研轉(zhuǎn)批產(chǎn)的障礙。”呂春祥說。

于是,項目團隊隨即進入下一攻關(guān)階段——在江蘇揚州建設(shè)產(chǎn)能更大的原絲線和氧化碳化線。

4 “看來是成功了”

在揚州,新的T300原絲和氧化碳化工程試驗線規(guī)模擴大了好幾倍,不少關(guān)鍵技術(shù)和裝備遇到了新的挑戰(zhàn)。

2007年6月,T300碳纖維試驗成功后,項目團隊很快在揚州啟動了氧化碳化線的建設(shè),并在2007年9月28日完成建設(shè)任務。

一個多月后,科研團隊將小店工程化試驗線上生產(chǎn)的原絲,運到揚州新建成的氧化碳化線上,生產(chǎn)出第一批T300碳纖維。

氧化碳化線建設(shè)完成后,原絲生產(chǎn)線的建設(shè)就成為項目團隊要破解的最關(guān)鍵難題,而大容量聚合釜則是讓呂春祥等人最撓頭的問題之一。

聚合是碳纖維制備的第一個化學反應工序,聚合釜是聚合反應用的“鍋”。在中試階段,為了保證聚合釜能穩(wěn)定產(chǎn)出性質(zhì)一致的聚丙烯腈紡絲溶液,呂春祥摒棄了傳統(tǒng)聚合釜的連續(xù)聚合工藝,顛覆性地設(shè)計并采用了間歇聚合工藝。

“原絲性能要高,就好比熬一鍋粥,不僅不能煳鍋,還必須保證每粒‘米’的生熟度一致。連續(xù)聚合是連續(xù)不斷地進料、不斷地煮,容易煳鍋,如原料不均勻,過濾器也容易堵,每3個月就要清洗一次;間歇聚合則是一鍋一鍋煮,煮好了放到罐子里,然后紡絲,不僅原料均勻穩(wěn)定,而且過濾設(shè)備可以多年不清洗?!眳未合檎f。

實際上,聚合反應釜的研制和反應控制要比鍋里煮飯復雜得多,它對材質(zhì)、形狀、耐壓、防爆、攪拌、溫控等方面的要求都非??量?。在工程放大過程中,這種國內(nèi)前所未有的新工藝聚合釜,遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。聚合反應的原料丙烯腈是甲級防爆高毒物,在聚合過程中會發(fā)生強放熱反應,聚合釜容量增加后,防爆能力也必須增強。因此,聚合釜的容量越大,設(shè)計難度也越大。

怎樣才能讓聚合釜既有大容量,又能安全穩(wěn)定?呂春祥等人沒有可借鑒的經(jīng)驗,只能一步步摸索。頂著巨大的壓力,他拿著設(shè)計方案請高分子化工、高分子物理、流變學、反應動力學、傳質(zhì)傳熱、自動控制、化工設(shè)備等多學科和專業(yè)領(lǐng)域的專家反復論證,確保方案科學合理。

2008年5月,大容量聚合釜被裝上了生產(chǎn)線。

5月25日一早,聚合釜投料。呂春祥一天一夜沒合眼。

5月26日一早,身在太原的孫予罕發(fā)短信問呂春祥:“聚合怎么樣?”

“控制平穩(wěn)。”

“看來是成功了!”孫予罕回復。

此時,離產(chǎn)品交付的最后期限,只剩短短一個月。

5 白絲變黑絲,黑絲變白絲

最后的沖刺開始了。很多親歷者都說,那是他們終生難忘的30天。

他們要趕在最后期限前,讓原絲生產(chǎn)線上產(chǎn)出的絲在氧化碳化線上變成性能穩(wěn)定且達到“宇航級”標準的碳纖維。

按照用戶部門的要求,宇航級碳纖維在滿足二十多項指標的同時,萬米以上長度碳纖維、不同批次碳纖維的力學性能指標離散性都必須控制在5%以內(nèi)。

一批批白絲運上氧化碳化線,變成黑絲之后再送到檢驗部門做性能測試??墒?,半個月過去了,碳纖維的綜合性能穩(wěn)定性還是不達標。

時針不停地轉(zhuǎn),每個人的心都像被放進了油鍋里。孫予罕和呂春祥帶著科研團隊,每天駐守在生產(chǎn)線上反復排查,解決可能影響碳纖維性能的工藝問題。

有一天大家坐在一起吃飯,不知誰調(diào)侃了一句:“如果做不成功,咱就去跳長江?!?/p>

2008年6月中旬的一天晚上,長江升起濃霧,揚州城被籠罩于朦朧之中。和往常一樣,碳纖維廠房里晝夜不停地出絲。

第二天早晨7點多,最新的碳纖維性能檢測報告單出爐。大家發(fā)現(xiàn),碳纖維的性能指標全部合格。幾個小時后,他們收到了第二批碳纖維的性能測試報告,同樣合格。

“兩個批次一樣,沒有差別!”孫予罕和呂春祥興奮極了。

第三批、第四批、第五批……連續(xù)幾天,他們一次次重復,最終確認這種“穩(wěn)定”不是偶然。

2008年6月30日,在國家要求的最后期限,山西煤化所給用戶單位送去了第一批產(chǎn)品,產(chǎn)品達到用戶單位提出的全部指標要求。這一天,是我國第一條宇航級碳纖維生產(chǎn)線誕生的日子,標志著我國成為繼日本、美國之后第三個可以自主生產(chǎn)宇航級碳纖維的國家。

這條生產(chǎn)線的誕生為我國更高性能碳纖維的國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

以此為基礎(chǔ),山西煤化所支撐當?shù)赜嘘P(guān)企業(yè),于2013年底建成比T300力學性能更高的T800高性能碳纖維生產(chǎn)線,使山西省成為國家高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)的高地之一。

2017年6月,習近平總書記在山西考察時強調(diào),新材料產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),也是高技術(shù)競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域,我們要奮起直追、迎頭趕上。

為了讓新材料產(chǎn)業(yè)在全國發(fā)展壯大,山西煤化所的科研人員走出山西省,在河南等地成功轉(zhuǎn)化了多項高性能碳纖維技術(shù)。此外,科研人員還在開展更高性能的新一代碳纖維的技術(shù)攻關(guān)。

工程技術(shù)的突破帶動了高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在國產(chǎn)宇航級T300碳纖維取得突破后,以國有企業(yè)為代表的一批企業(yè)紛紛進入高性能碳纖維行業(yè)。在全行業(yè)共同努力下,我國高性能碳纖維技術(shù)逐步突破,行業(yè)逐漸壯大,與此同時,高性能碳纖維需求量快速增長,國產(chǎn)化占比逐年提升。如今,我國國產(chǎn)宇航級碳纖維已基本能夠滿足國家和市場需求,一些其他型號級別的進口產(chǎn)品也隨之降價,例如民用T700S碳纖維的進口價格只有原先的三分之一。

“國內(nèi)幾乎所有與碳纖維相關(guān)的企業(yè)里,都能找到山西煤化所的身影,有些用的是山西煤化所研發(fā)的技術(shù),有些用的是從山西煤化所走出來的人才?!辈涕耪f。

作為歷史的親歷者,蔡榕時常會回想起2008年6月30日那天。當時,他在揚州工程現(xiàn)場看到,就在大家準備慶祝一番時,一位同事把自己鎖進一間空會議室,大哭了一場,3年的壓力終于宣泄出來。

在很多親歷者眼中,第一條宇航級碳纖維生產(chǎn)線的研制歷程,是有組織科研和建制化研究的“典范”。它的成功得益于國家、中國科學院及其院屬研究機構(gòu)從上到下的統(tǒng)一組織,也得益于國立科研機構(gòu)與政府機關(guān)、用戶單位、企業(yè)的優(yōu)勢互補、通力合作。

從2005年立下“軍令狀”到2008年滿足國家需求,宇航級T300碳纖維生產(chǎn)線攻關(guān)的3年里,無數(shù)批白色的原絲變成黑色的碳纖維,攻關(guān)團隊科研人員的頭上,很多發(fā)絲從黑絲熬成了白絲。

多年后的今天,他們的記憶還是會回到2008年6月中旬那個有霧的早晨。上午10點,碳纖維性能穩(wěn)定,大家發(fā)現(xiàn),廠房外籠罩了一夜的濃霧散了,陽光明亮而熱烈。