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徐坚:“从无到有”到“从有到优” 缅怀师昌绪先生在碳纤维战略

发布时间:2022-09-29 04:46:33 来源:火狐体育永久入口 作者:火狐体育官网入口
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  原标题:徐坚:“从无到有”到“从有到优”, 缅怀师昌绪先生在碳纤维战略决策中的作用

  师昌绪,男,1918年11月15日生于河北徐水。金属学及材料科学家,中国高温合金的开拓者之一,中国科学院、中国工程院、第三世界科学院院士,2010年国家最高科学技术奖获得者。1945年毕业于国立西北工学院,获学士学位。1948年前往美国留学,1949年获美国密苏里矿冶学院硕士学位,1952年获欧特丹大学冶金博士学位。回国后任职于中国科学院金属研究所,从事高温合金及合金钢的研究工作,领导研发了中国第一代空心气冷铸造镍基高温合金涡轮叶片,还发展了第一代铁基高温合金。在金属研究所,他历任研究员、副所长,1980年升任所长,同年当选中国科学院学部委员(院士)。1983年任中科院技术科学部第一主任。1986年被聘为国家自然科学基金委员会副主任。1994年中国工程院成立后当选院士,并出任副院长。1995年当选第三世界科学院院士。曾任中国金属学会材料科学学会理事长,中国材料联合会主席,国际深冲研究会(IDDRG)主席,中国生物材料委员会主席,863计划新材料领域特邀评估专家,第三、五、六届全国人大代表,中共十五大代表。2014年11月10日在北京逝世。

  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。同时具有极其鲜明的军民两用特征,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50~60年代由日本开发出用聚丙烯腈纤维(PAN)制备碳纤维技术,经过70~80年代稳定,90年代飞速发展,到21世纪初其制备技术和工艺已基本成熟。日本东丽公司是高性能碳纤维研发的领头羊,开发了T300-T1000的高强纤维和M30S~M60J的高模、高强高模纤维,碳纤维/树脂基复合材料已在飞行器上广泛作为结构材料使用。同时高性能聚丙烯腈(PAN)基碳纤维在交通运输、能源资源、土木建筑及体育用品等领域有着广阔的应用。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,在全球居于领先的地位,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年代初期与日本基本上同步开展了PAN原丝及碳纤维研究工作,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,此时国防军工急需、民口规模化应用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,我们仍然面临着既无法引进技术、又不能进口高性能PAN碳纤维、通用碳纤维供应极不稳定的严峻局面,甚至连技术发展方向都未能达成基本一致,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。

  作为我国高瞻远瞩、通观全局、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的极端重要性,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月师老给高层“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863计划新材料领域专家委员会破格调用中国科学院化学研究所副所长的徐坚研究员任304专项专家组组长,当时我还任“十五”高性能结构材料专家组组长(按照863相关规定,一个人不能同时任两个专家组专家)。并组织了国内当时最主要的四家碳纤维研发生产单位成员组成了304专项专家组。

  在近三十年来我国科研和工程技术人员付出了艰苦努力,经历无数次失败,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,如此错综复杂和尖锐对立贯穿于304专家组从2002年2月启动后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”。

  专项专家组提出在制约碳纤维发展的诸多原因中,PAN原丝水平的落后是制约碳纤维水平提高的“瓶颈”, PAN原丝为重中之重的主攻方向,经过反复研讨,在师老的积极参与指导下,与大家逐渐统一了认识, 2002年3月9日太原会议上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,最终使与会人员达成了求同存异的共识,对“十五”研究方向产生了关键影响。人才队伍组织和技术突破口正确选择为中国碳纤维的突破奠定了基础。

  常言道:战略决定未来、战术决定成败。从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。

  “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和创新,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。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。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予了积极支持。在战略调研、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,首次将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,中国科学院化学研究所、中国科技大学、北京化工大学、吉林大学、航天703研究所等单位的全力支持,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。

  304专项立项启动10个月后,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2003年11月第一次出炉,参与考评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级碳纤维三个基础指标值(含离散度),而此时距离“十五”计划结束只有短短的两年时间,压力之大,前所未有。2003年12月专项专家组组长向师昌绪先生做了汇报,用了“苦海无边、回头是岸”8个字表述艰难的困境,作为一代材料大师的师老听完汇报。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……,我们绝不能轻言放弃,送给我八个字:“苦海有边、回头无岸”。

  我们开始分析这种差距的原因,并与相关人员进行了交流,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,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批量产品。从“样品到产品”也就成了“十五”和“十一五”期间的主攻方向,这就要求过去在实验室小线上做阳春白雪似科学研究必须到工业线的田野山间中规模耕作。当年一个极为重大的支持方向调整是:引入国营/民营企业公平竞争机制。如此高技术项目在国家数十年持续投入下我们的高校院所、国有大型企业均尚无结果,民营企业能行吗?更何况涉及国防军工的卡脖子的关键材料?在好事多磨的过程中,304专项专家组长坚持以检测数据为凭,力排众议,首先把民营企业光威集团纳入PAN碳纤维独立考评体系,在随后第一次独立测评中,光威集团碳纤维取得了与T300级指标最接近的结果。

  专家组经过对PAN碳纤维独立考评数据的认真细致分析和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。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。

  到2005年底的“十五”结束时,聚丙烯腈碳纤维国产化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级)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级),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。与此同时开始了航空航天用国产碳纤维复合材料结构件验证与应用。

  在大力推进碳纤维关键技术攻关的同时,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,为此2008年专门组织召开了高层次的香山科学会议。2006和2010年先后设立了两期973项目,《高性能聚丙烯腈PAN碳纤维基础科学问题》和《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》,研究了超高强度(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等一系列共性科学问题,发展若干原位和高效的分析表征新方法,有力支撑了高性能碳纤维稳定化和规模化制备。

  到新世纪第3个五年计划结束的2015年,高性能纤维及复合材料在“十五”、“十一五”、“十二五”三个五年计划重点专项的强力支持下,基本上完成了高性能碳纤维及其复合材料国产化的过程,高性能碳纤维关键技术突破和产业规模生产,产能超过20000吨/年,产量达到7000吨/年;到2020年,中国PAN碳纤维产能超过28000吨/年,产量接近20000吨/年。高性能碳纤维及其复合材料国产化率约40%。

  高性能碳纤维,卡了中国人40年脖子的军民两用关键材料,在其15年国产化崛起过程中,国家科技部和基金委直接投入到碳纤维研发经费年均不到2400万元,不但实现了“从无到有”,而且正向“从有到优”顺利发展。我们可以挺起胸讲,中国高性能碳纤维及其复合材料参与全球竞争已指日可待,取得优势地位亦已可预期。

  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?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年底鼓励众人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爱国忠诚、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。

  师老一生从未见为自己的卓越贡献说一个字,但他总是高度注重培养了人才,众多碳纤维研发人才得到了他的谆谆教诲和指点鼓励,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》),师老所倡导和培养的人才、平台、项目的三位一体的体系,成为了中国碳纤维产业在新世纪可持续发展的重要基础和珍贵财富。今天之中国,高性能碳纤维由民营企业从“唱小调”角色成为了“主角”;优势生产企业的半壁江山源自中科院研究所的技术支撑;人才队伍多源于高等院校的不懈培养;共享公用检测平台成为中国碳纤维崛起的幕后见证者!

  从新世纪初设立863计划304专项以来,在15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,到目前已建立起高性能聚丙烯腈碳纤维制备技术研发、工程化和规模产业化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、规模应用格局形成,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,成就了中国碳纤维事业在新世纪的20年间的突破性进展。中国碳纤维事业已从“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!

  回顾历史、温故知新,作为新世纪中国高性能碳纤维研发和产业化的倡导者、决策者和实践者,师老在碳纤维战略性布局上的海纳百川的宽阔胸襟、高瞻远瞩的战略眼界和公正无私保证了中国碳纤维科技攻关的健康发展,其功绩有目共睹,其公心日月可鉴。

  深深缅怀为中国碳纤维事业作出了杰出和无私贡献的先驱们:张名大先生、李乃元先生、师昌绪先生、吴人洁先生、李克健先生、贺福先生、李福绵先生、潘鼎先生、陈光威董事长、钱云宝董事长、邵立勤司长!

  历史的事实再一次证明,只要摒弃小我、心地无私、实事求是、公平公正、共同努力、坚持不懈,中国人想做的事情一定能够做到,人要做的事情一定能够做好!

  作者注:原文为纪念师昌绪先生(1918.11.15)百年诞辰所撰写,此次作了少许修订。在此深深地感谢所有为中国高性能碳纤维国产化事业做出过贡献的同志们和同行们。若有不确或不周之处,万望谅鉴。