他们为中国高性能碳纤维闯出一片天

  透明的聚丙烯腈纺丝溶液，穿过有成千上万个微米级小孔的喷丝板，喷出的白丝被数不清的轮子拉扯着向前，穿过蒸汽、蹚过油剂，再穿过烘干机，越扯越细，直到每根丝如羊毛一般。

  之后，白丝被运到另一条生产线上，继续被轮子拉扯向前。数百摄氏度的氧化炉，让白丝变得焦黄；上千摄氏度的碳化炉，又让黄丝变得乌黑。千锤百炼后，“人工羊毛”变成了“黑色黄金”，成为航空航天尖端装备中一种不可或缺的材料高性能碳纤维。

  很少有人知道，这套位于山西太原的生产线之所以能够化“腐朽”为“神奇”，是因为背后有一支国家战略科技力量。中国科学院山西煤炭化学研究所（以下简称山西煤化所）科研团队的技术支撑，让国产高性能碳纤维走上了一条从无到有、从小到大的路。

  在科研人员的印象中，故事要从我国第一条宇航级T300碳纤维生产线 立下“军令状”

  碳纤维具有轻质高强的特点，常被用在航空航天飞行器上。飞行器的运动速度高、过载大，对材料强度和变形有严格要求，而商用飞机每减重一公斤，一年就能节约3000美元的燃料，航天飞行器每减重一公斤，就能节约1万美元的燃料。除此之外，它在汽车、发电设备和体育器械等领域也有广泛应用。

  当时，山西煤化所在高性能碳纤维研制方面已有30多年的积累，是中国科学院最早研究碳纤维的研究所之一。上世纪六七十年代，所里的老一辈科学家在基本无参考资料的情况下，突破系列关键技术，建成我国第一条聚丙烯腈基碳纤维氧化碳化中试生产线，并生产出“高强Ⅰ型”碳纤维。这种碳纤维的性能虽远低于T300，却解了当时国家的燃眉之急。

  此后，科研人员虽然研制出了T300碳纤维样品，但与进口产品相比，性能差距大、生产的基本工艺和装备控制精度不足、产品性能稳定度差、生产规模小。更严峻的是，国家需求的节点摆在那里2008年6月30日前必须确保产出能满足应用需求的宇航级T300碳纤维，而2005年时，大家连“宇航级”包含哪些性能指标都不是十分清楚。

  2005年5月16日，吕春祥写出了T300碳纤维工程化研制项目建议书的初稿；7月末，山西煤化所将完善后的建议书上报给国家相关部门，申请承担宇航级T300碳纤维的工程化研制任务。

  研究所级别的攻关总体组很快成立，所长孙予罕任组长，吕春祥和时任所长助理李燕生任副组长。所里多个研究部门的优秀科研人员聚集起来，形成了一支20多人的核心团队和百余人参与的攻关队伍，所里又增派副所长韩有清驻工程试验现场协调处理问题。攻关总体组还采用了航天工程“两总制”组织管理方式，由孙予罕负责项目统筹、吕春祥负责技术攻关。

  这两个节点，都与原丝工程化试验线碳纤维用的原丝，类似日常生活中常见的腈纶。当时，山西煤化所在原丝工程化试验线上的建设经验，不及在氧化碳化线上的建设经验比较丰富。适合T300的原丝工程化试验线的建设，成了小店中试试验过程中最难啃的一块“硬骨头”。

  在扬州，新的T300原丝和氧化碳化工程试验线规模扩大了好几倍，不少关键技术和装备遇到了新的挑战。

  2007年6月，T300碳纤维试验成功后，项目团队非常快在扬州启动了氧化碳化线日完成建设任务。

  一个多月后，科研团队将小店工程化试验线上生产的原丝，运到扬州新建成的氧化碳化线碳纤维。

  氧化碳化线建设完成后，原丝生产线的建设就成为项目团队要破解的最关键难题，而大容量聚合釜则是让吕春祥等人最挠头的问题之一。聚合是碳纤维制备的第一个化学反应工序，聚合釜是聚合反应用的“锅”。在中试阶段，为了能够更好的保证聚合釜能稳定产出性质一致的聚丙烯腈纺丝溶液，吕春祥摒弃了传统聚合釜的连续聚合工艺，颠覆性地设计并采用了间歇聚合工艺。

  “原丝性能要高，就好比熬一锅粥，不仅不能煳锅，还一定要保证每粒米的生熟度一致。连续聚合是连续不断地进料、不断地煮，容易煳锅，如原料不均匀，过滤器也容易堵，每3个月就要清洗一次；间歇聚合则是一锅一锅煮，煮好了放到罐子里，然后纺丝，不仅原料均匀稳定，而且过滤设备能多年不清洗。”吕春祥说。

  实际上，聚合反应釜的研制和反应控制要比锅里煮饭复杂得多，它对材质、形状、耐压、防爆、搅拌、温控等方面的要求都非常苛刻。在工程放大过程中，这种国内前所未有的新工艺聚合釜，遇到了前所未有的挑战。聚合反应的原料丙烯腈是甲级防爆高毒物，在聚合过程中会发生强放热反应，聚合釜容量增加后，防爆能力也必须增强。因此，聚合釜的容量越大，设计难度也越大。

  怎样才能让聚合釜既有大容量，又能安全稳定？吕春祥等人没有可借鉴的经验，只能一步步摸索。顶着巨大的压力，他拿着设计的具体方案请高分子化工、高分子物理、流变学、反应动力学、传质传热、自动控制、化工设备等多学科和专业领域的专家反复论证，确保方案科学合理。

  2008年5月，大容量聚合釜被装上了生产线日一早，聚合釜投料。吕春祥一天一夜没合眼。

  他们要赶在最后期限前，让原丝生产线上产出的丝在氧化碳化线上变成稳定性很高且达到“宇航级”标准的碳纤维。

  按照用户部门的要求，宇航级碳纤维在满足二十多项指标的同时，万米以上长度碳纤维、不同批次碳纤维的力学性能指标离散性都必须控制在5%以内。

  一批批白丝运上氧化碳化线，变成黑丝之后再送到检验部门做性能测试。可是，半个月过去了，碳纤维的综合性能稳定性还是不达标。

  时针不停地转，每个人的心都像被放进了油锅里。孙予罕和吕春祥带着科研团队，每天驻守在生产线上反复排查，解决可能会影响碳纤维性能的工艺问题。有一天大家坐在一起吃饭，不知谁调侃了一句：“如果做不成功，咱就去跳长江。”

  2008年6月中旬的一天晚上，长江升起浓雾，扬州城被笼罩于朦胧之中。和往常一样，碳纤维厂房里昼夜不停地出丝。

  第二天早晨7点多，最新的碳纤维性能检验测试报告单出炉。大家发现，碳纤维的性能指标全部合格。几个小时后，他们收到了第二批碳纤维的性能测试报告，同样合格。

  第三批、第四批、第五批连续几天，他们一次次重复，最终确认这种“稳定”不是偶然。

  2008年6月30日，在国家要求的最后期限，山西煤化所给用户单位送去了第一批产品，产品达到用户单位提出的全部指标要求。这一天，是我国第一条宇航级碳纤维生产线诞生的日子，标志着我国成为继日本、美国之后第三个可以自主生产宇航级碳纤维的国家。

  以此为基础，山西煤化所支撑当地有关企业，于2013年底建成比T300力学性能更高的T800高性能碳纤维生产线，使山西省成为国家高性能碳纤维产业的高地之一。

  2017年6月，习在山西考察时强调，新材料产业是战略性、基础性产业，也是高技术竞争的关键领域，我们要奋起直追、迎头赶上。

  为了让新材料产业在全国发展壮大，山西煤化所的科研人员走出山西省，在河南等地成功转化了多项高性能碳纤维技术。此外，科研人员还在开展更高性能的新一代碳纤维的技术攻关。

  工程技术的突破带动了高性能碳纤维产业高质量发展。在国产宇航级T300碳纤维取得突破后，以国有企业为代表的一批企业纷纷进入高性能碳纤维行业。在全行业一起努力下，我国高性能碳纤维技术逐步突破，行业逐渐壮大，与此同时，高性能碳纤维需求量迅速增加，国产化占比逐年提升。如今，我国国产宇航级碳纤维已基本能够很好的满足国家和市场需求，一些其他型号级别的进口产品也随之降价，例如民用T700S碳纤维的进口价格只有原先的三分之一。

  “国内几乎所有与碳纤维相关的企业里，都能找到山西煤化所的身影，有些用的是山西煤化所研发的技术，有些用的是从山西煤化所走出来的人才。”蔡榕说。

  作为历史的亲历者，蔡榕时常会回想起2008年6月30日那天。当时，他在扬州工程现场看到，就在大家准备庆祝一番时，一位同事把自己锁进一间空会议室，大哭了一场，3年的压力终于宣泄出来。

  在很多亲历者眼中，第一条宇航级碳纤维生产线的研制历程，是有组织科研和建制化研究的“典范”。它的成功得益于国家、中国科学院及其院属研究机构从上到下的统一组织，也得益于国立科研机构与政府机关、用户单位、企业的优势互补、通力合作。

  从2005年立下“军令状”到2008年满足国家需求，宇航级T300碳纤维生产线年里，无数批白色的原丝变成黑色的碳纤维，攻关团队科研人员的头上，很多发丝从黑丝熬成了白丝。

  多年后的今天，他们的记忆还是会回到2008年6月中旬那个有雾的早晨。上午10点，碳纤维稳定性很高，大家发现，厂房外笼罩了一夜的浓雾散了，阳光明亮而热烈。