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    徐堅:“從無到有”到“從有到優”, 緬懷師昌緒先生在碳纖維國產化戰略決策中的作用

    來源:有料先生 作者: 徐堅 2022-03-28 09:23

    慧正資訊:師昌緒,男,1918年11月15日生于河北徐水。金屬學及材料科學家,中國高溫合金的開拓者之一,中國科學院、中國工程院、第三世界科學院院士,2010年國家最高科學技術獎獲得者。1945年畢業于國立西北工學院,獲學士學位。1948年前往美國留學,1949年獲美國密蘇里礦冶學院碩士學位,1952年獲歐特丹大學冶金博士學位?;貒笕温氂谥袊茖W院金屬研究所,從事高溫合金及合金鋼的研究工作,領導研發了中國第一代空心氣冷鑄造鎳基高溫合金渦輪葉片,還發展了第一代鐵基高溫合金。在金屬研究所,他歷任研究員、副所長,1980年升任所長,同年當選中國科學院學部委員(院士)。1983年任中科院技術科學部第一主任。1986年被聘為國家自然科學基金委員會副主任。1994年中國工程院成立后當選院士,并出任副院長。1995年當選第三世界科學院院士。曾任中國金屬學會材料科學學會理事長,中國材料聯合會主席,國際深沖研究會(IDDRG)主席,中國生物材料委員會主席,863計劃新材料領域特邀評估專家,第三、五、六屆全國人大代表,中共十五大代表。2014年11月10日在北京逝世。

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    背景介紹

    高性能纖維及其復合材料,主要指具有高強高模特性的聚丙烯腈(PAN)碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯UHMWPE)纖維及其作為增強體所制備的一類材料,是世界各國發展高新技術、國防尖端技術和改造傳統產業的物質基礎和技術先導,是我國戰略性新興產業中最主要的發展方向之一。同時具有極其鮮明的軍民兩用特征,對國民經濟發展和國防現代化建設具有非常重要的基礎性、關鍵性和決定性作用。

    20世紀50~60年代由日本開發出用聚丙烯腈纖維(PAN)制備碳纖維技術,經過70~80年代穩定,90年代飛速發展,到21世紀初其制備技術和工藝已基本成熟。日本東麗公司是高性能碳纖維研發的領頭羊,開發了T300-T1000的高強纖維和M30S~M60J的高模、高強高模纖維,碳纖維/樹脂基復合材料已在飛行器上廣泛作為結構材料使用。同時高性能聚丙烯腈(PAN)基碳纖維在交通運輸、能源資源、土木建筑及體育用品等領域有著廣闊的應用。以日、美等占據著世界PAN碳纖維領域的先進行列,其中日本東麗公司以二甲基亞砜(DMSO)原絲技術于70年代初開發成功碳纖維強度為3.0GPa的T300級之后,先后開發成功強度為4.9GPa的T700級、5.5GPa的T800級和7.06GPa的T1000級碳纖維工業化技術,在全球居于領先的地位,并對中國實行了高性能小絲束碳纖維技術的嚴格封鎖和產品的禁運。

    我國從20世紀60年代初期與日本基本上同步開展了PAN原絲及纖維研究工作,1975年11月張愛萍將軍主持的“7511”會議上確定PAN碳纖維為戰略核武器的關鍵材料,組織了全國力量進行科技攻關,對幾乎所有可能的溶劑工藝路線都進行了探索。但非常遺憾的是,由于體制機制、基礎科學、工程技術、工業裝備等諸多原因,我國一直停留在低性能碳纖維水平上,僅僅由吉林碳素廠和吉林石化公司制備的少量碳纖維作為燒蝕材料供貨。國防軍工用于結構材料的高性能碳纖維幾乎全部依賴國外產品。到20世紀末,國防軍工結構材料用的碳纖維無貨可供,更談不上自主知識產權的技術,此時國防軍工急需、民口規?;瘧玫奶祭w維全部依賴進口。與國際快速發展的碳纖維技術相比,我國在PAN原絲及碳纖維領域與國外先進水平相差甚遠,工程化技術沒有得到有效的突破,我們仍然面臨著既無法引進技術、又不能進口高性能PAN碳纖維、通用碳纖維供應極不穩定的嚴峻局面,甚至連技術發展方向都未能達成基本一致,存在較大分歧。碳纖維成為中國材料界久攻不克、舉步維艱、進退維谷的最大難點之一。

    21世紀中國材料界最重大戰略決策之一:碳纖維國產化再啟征程

    作為我國高瞻遠矚、通觀全局、為數不多的戰略科學家、兩院院士師昌緒先生敏銳地看到了聚丙烯腈碳纖維對國防軍工的制約性和國民經濟可持續發展的極端重要性,此時正是相關部門和眾多單位面對碳纖維久攻不下的嚴峻局面,信心不足,避而遠之,國內碳纖維研發處于最困難的低谷時期。2000年師老牽頭,召集了李克健、趙稼祥、羅益鋒、石力開、石定寰、馬燕合等幾位同志,先后舉行了數次研討會,發起了中國碳纖維技術攻關的又一輪戰略構思。2001年1月師老給高層“關于加速開發高性能碳纖維的請示報告”的函件得到了中央主要領導的高度重視,2001年10月國家科技部決定設立碳纖維關鍵技術專項(代號304專項)。如果從1962年中國科學院長春應化所李仍元先生和沈陽金屬研究所張名大先生開展碳纖維研究為起點,中國已經走過了40年的艱辛歷程;如果從7511會議計,也歷經近30年的艱苦攻關,而此時我們依然徘徊左右,不得入門之要領。

    碳纖維國產化過程中的戰略抉擇:人才隊伍與突破方向

    根據師老“找幾個熟悉情況的人,認真研究過去碳纖維搞不上去的原因和今后應該怎樣去做”的戰略設計,科技部相關領導和863計劃新材料領域專家委員會破格調用中國科學院化學研究所副所長的徐堅研究員任304專項專家組組長,當時我還任“十五”高性能結構材料專家組組長(按照863相關規定,一個人不能同時任兩個專家組專家)。并組織了國內當時最主要的四家碳纖維研發生產單位成員組成了304專項專家組。

    在近三十年來我國科研和工程技術人員付出了艱苦努力,經歷無數次失敗,當時各個部門、單位基于本身對碳纖維理解和自身基礎,提出了眾說紛紜的各種攻關方向,如此錯綜復雜和尖銳對立貫穿于304專家組從2002年2月啟動后歷經五個月碳纖維發展戰略規劃、指南編寫及其論證過程中。其中2002年2月26日科技部高新司召開“863”計劃新材料領域會議上,師老針對304專項再次提出:一是目標要明確,二是組織形式要創新,要推行聯合,不能有門戶之見,不能形成“瓜分體制”。

    專項專家組提出在制約碳纖維發展的諸多原因中,PAN原絲水平的落后是制約碳纖維水平提高的“瓶頸”, PAN原絲為重中之重的主攻方向,經過反復研討,在師老的積極參與指導下,與大家逐漸統一了認識, 2002年3月9日太原會議上師老再一次針對碳纖維關鍵發展方向表達了一錘定音的意見,最終使與會人員達成了求同存異的共識,對“十五”研究方向產生了關鍵影響。人才隊伍組織和技術突破口正確選擇為中國碳纖維的突破奠定了基礎。

    碳纖維國產化過程中的戰術布局:機制體制的創新與實施

    常言道:戰略決定未來、戰術決定成敗。從2001年1月304專項成立、到2002年6月專項項目指南發布、7月22--24日項目答辯評審、2003年1月項目啟動為標志,在師昌緒先生的戰略性總體策劃下,中國碳纖維技術研發再一次重啟征程。

    “十五”304專項在戰略目標和運行機制方面進行大幅度的調整和創新,主要包括:明確PAN原絲作為突破口;設立PAN碳纖維獨立考評機制;構筑共享公用的表征測試平臺;建立了戰略調研、專利和技術信息共享機制;形成以企業工程化研發為核心的體系。支持建設高水平的分析測試平臺,支持建立公平、公正、高透明的取樣評價體系。在此過程中,中國石油、中國科學院、教育部、中鋼集團的同志們給予了積極支持。在戰略調研、專利和技術信息共享工作中,李克健、羅益鋒、趙稼祥同志做出了卓越的貢獻,首次將2003年前世界上碳纖維專利進行了系統的收集、翻譯、歸納和總結。在PAN碳纖維第三方獨立考評工作中,以趙稼祥為組長的評估專家組同志們不辭辛苦,奔波在大江南北,碳纖維研發和工程現場,為此專門出臺了第三方現場取樣、雙盲測試的管理辦法。在建立表征測試平臺和共享公用過程中,中國科學院化學研究所、中國科技大學、北京化工大學、吉林大學、航天703研究所等單位的全力支持,并集中國內優勢的科研力量,編制了世界上第一份碳纖維原絲結構形態分析表征的國家標準。這些默默無聞的大量工作及其公開共享公用機制的推進,有效地促進了碳纖維研發的工作進程。這種“技術集成,共享公用”機制與當時部分研發中相互防范、各自為政、畫地為牢的“小農觀念”形成了極其鮮明的對比。

    新世紀碳纖維艱辛征程:從“苦海無邊、回頭是岸”到“苦海有邊、回頭無岸”

    304專項立項啟動10個月后,由評估專家組獨立取樣、第三方盲測的PAN碳纖維獨立考評數據2003年11月第一次出爐,參與考評國內優勢單位的碳纖維,居然沒有一家能夠完整達到日本東麗公司最低檔T300級碳纖維三個基礎指標值(含離散度),而此時距離“十五”計劃結束只有短短的兩年時間,壓力之大,前所未有。2003年12月專項專家組組長向師昌緒先生做了匯報,用了“苦海無邊、回頭是岸”8個字表述艱難的困境,作為一代材料大師的師老聽完匯報。沉思少許說:國外不會給我們碳纖維,回頭的岸是沒有了;但中國要崛起,必須有高性能碳纖維……,我們絕不能輕言放棄,送給我八個字:“苦海有邊、回頭無岸”。

    我們開始分析這種差距的原因,并與相關人員進行了交流,深感在研發材料結構及原理基礎之上,生產制備及工藝路線控制也是未來要實現批量穩定化的關鍵,不僅要從試驗中拿出一段達標的樣品來進行檢測,而更重要的還是要向需求方提供合格的批量產品。從“樣品到產品”也就成了“十五”和“十一五”期間的主攻方向,這就要求過去在實驗室小線上做陽春白雪似科學研究必須到工業線的田野山間中規模耕作。當年一個極為重大的支持方向調整是:引入國營/民營企業公平競爭機制。如此高技術項目在國家數十年持續投入下我們的高校院所、國有大型企業均尚無結果,民營企業能行嗎?更何況涉及國防軍工的卡脖子的關鍵材料?在好事多磨的過程中,304專項專家組長堅持以檢測數據為憑,力排眾議,首先把民營企業光威集團納入PAN碳纖維獨立考評體系,在隨后第一次獨立測評中,光威集團碳纖維取得了與T300級指標最接近的結果。

    專家組經過對PAN碳纖維獨立考評數據的認真細致分析和對國內外碳纖維微缺陷參數檢測結果,適時提出要進一步強化PAN原絲制備中對微缺陷控制和提高PAN纖維牽伸倍數至十倍以上。后來的事實證明,正是民營企業機制體制優勢和認真聽取提高原絲牽伸倍數至十倍以上的建議,光威集團下屬拓展纖維有限公司率先在國內全面突破了T300級碳纖維工程規模制備,并成為航空集團的定點供貨單位,為此師老多次親臨威?,F場指導并主持了技術驗收/鑒定。

    新世紀碳纖維國產化十八年崛起:從“從無到有”正走向“從有到優”

    到2005年底的“十五”結束時,聚丙烯腈碳纖維國產化研發已經有了根本性的改觀,解決30年來困擾我們國防建設關鍵材料的難題之一-CCF-1級(相當于日本東麗T300級)碳纖維的工業規模制備關鍵技術,開始向國防工業供貨。304專項達到了“十五”預定目標:實現CCF-1高性能聚丙烯腈碳纖維中試規模的穩定生產, 突破了CCF-3級碳纖維的實驗室噸級制備技術(相當于日本東麗T700級),建立了面向全國的公用測試平臺。已建設了年產1~25噸實驗線和中試生產線共計五條,靜態投資已達到1億元以上;在建和進入工程設計經濟規模的百噸級和千噸級工業生產線共計四條,投入的社會資金超過10億元。與此同時開始了航空航天用國產碳纖維復合材料結構件驗證與應用。

    在大力推進碳纖維關鍵技術攻關的同時,2004年師昌緒先生及時而敏銳地提出,碳纖維相關基礎性研究嚴重滯后和薄弱,若干深層次的科學問題亟待解決,否則會制約了高性能PAN碳纖維的發展,必須提前布局聚丙烯腈碳纖維的重大基礎科學問題研究,除基金委立項重點項目外,他大力推進973項目的申請和立項工作,為此2008年專門組織召開了高層次的香山科學會議。2006和2010年先后設立了兩期973項目,《高性能聚丙烯腈PAN碳纖維基礎科學問題》和《超高性能與低成本聚丙烯腈碳纖維的科學基礎及共性問題研究》,研究了超高強度(T1000級)與超高模量(M55J級)PAN碳纖維制備過程中分子設計、結構形態調控和穩定化制備等一系列共性科學問題,發展若干原位和高效的分析表征新方法,有力支撐了高性能碳纖維穩定化和規?;苽?。

    到新世紀第3個五年計劃結束的2015年,高性能纖維及復合材料在“十五”、“十一五”、“十二五”三個五年計劃重點專項的強力支持下,基本上完成了高性能碳纖維及其復合材料國產化的過程,高性能碳纖維關鍵技術突破和產業規模生產,產能超過20000噸/年,產量達到7000噸/年;到2020年,中國PAN碳纖維產能超過28000噸/年,產量接近20000噸/年。高性能碳纖維及其復合材料國產化率約40%。

    高性能碳纖維,卡了中國人40年脖子的軍民兩用關鍵材料,在其15年國產化崛起過程中,國家科技部和基金委直接投入到碳纖維研發經費年均不到2400萬元,不但實現了“從無到有”,而且正向“從有到優”順利發展。我們可以挺起胸講,中國高性能碳纖維及其復合材料參與全球競爭已指日可待,取得優勢地位亦已可預期。

    科技沒有國界而科學家有祖國:莫道雄關真如鐵,而今邁步從頭越

    常言道:科技沒有國界,但科學家有祖國。從新中國成立之初師昌緒先生毅然決然放棄國外的優越條件,突破外國政府對他們的重重封鎖,輾轉回到戰后滿目滄夷,一貧如洗的祖國,所以才有這樣一個人,在80高齡的耄耋之時,奔走呼吁各部委和院所之間,倡導推進中國碳纖維新一輪科技攻關;到90歲鮐背之年,依然孜孜不倦思考著中國新材料產業的未來發展。這是怎樣的家國情懷?從2000年倡議中央立項碳纖維、2001年中力排眾議確定原絲主攻方向、2003年底鼓勵眾人堅持不懈攻克碳纖維難關、2006年堅持獨立評估機制和加強碳纖維基礎研究、到2010年提出發展中國新材料產業的重大戰略設計,新世紀的第一輪年之間,在中國碳纖維發展歷史上的幾個關鍵轉折點上,無不充分體現了師昌緒先生這樣一位愛國忠誠、正直無私的戰略科學家和一代材料宗師的高尚人格和珍貴品質。 

    師老一生從未見為自己的卓越貢獻說一個字,但他總是高度注重培養了人才,眾多碳纖維研發人才得到了他的諄諄教誨和指點鼓勵,正謂管仲之語:一年之際,莫如樹谷;十年之際,莫如樹木;終身之際,莫如樹人。一樹一獲者,谷也;一樹十獲者,木也;一樹百獲者,人也(摘自《管子·權修》),師老所倡導和培養的人才、平臺、項目的三位一體的體系,成為了中國碳纖維產業在新世紀可持續發展的重要基礎和珍貴財富。今天之中國,高性能碳纖維由民營企業從“唱小調”角色成為了“主角”;優勢生產企業的半壁江山源自中科院研究所的技術支撐;人才隊伍多源于高等院校的不懈培養;共享公用檢測平臺成為中國碳纖維崛起的幕后見證者!

    結束語

    從新世紀初設立863計劃304專項以來,在15年持續不懈努力科技攻關的基礎上,我國高性能纖維制備科學技術與應用技術取得了重大突破,從完全依賴進口、無法制備出合格的T300級碳纖維的極為窘迫尷尬狀況,到目前已建立起高性能聚丙烯腈碳纖維制備技術研發、工程化和規模產業化較為完整的產業體系,產品質量不斷提高,規范標準初具系統、規模應用格局形成,滿足了國防建設對結構材料用國產高性能碳纖維極為迫切的需求,成就了中國碳纖維事業在新世紀的20年間的突破性進展。中國碳纖維事業已從“苦海無邊、回頭是岸”到“苦海有邊、回頭無岸”,東方曙光初現、旭日噴薄欲出!

    回顧歷史、溫故知新,作為新世紀中國高性能碳纖維研發和產業化的倡導者、決策者和實踐者,師老在碳纖維戰略性布局上的海納百川的寬闊胸襟、高瞻遠矚的戰略眼界和公正無私保證了中國碳纖維科技攻關的健康發展,其功績有目共睹,其公心日月可鑒。

    深深緬懷為中國碳纖維事業作出了杰出和無私貢獻的先驅們:張名大先生、李乃元先生、師昌緒先生、吳人潔先生、李克健先生、賀福先生、李福綿先生、潘鼎先生、陳光威董事長、錢云寶董事長、邵立勤司長!

    歷史的事實再一次證明,只要摒棄小我、心地無私、實事求是、公平公正、共同努力、堅持不懈,中國人想做的事情一定能夠做到,共產黨人要做的事情一定能夠做好!

    作者注:原文為紀念師昌緒先生(1918.11.15)百年誕辰所撰寫,此次作了少許修訂。在此深深地感謝所有為中國高性能碳纖維國產化事業做出過貢獻的同志們和同行們。若有不確或不周之處,萬望諒鑒。

    壬寅年正月二十八修訂于深圳灣

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