2018走近他们 | 要让中国高性能碳纤维更“强”
——记东华大学材料学院陈惠芳科研团队

发布时间:2018-01-09发布部门:宣传部

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一根仅有头发丝十分之一粗细的高性能碳纤维,拉伸强度却可以达到钢的7~9倍,而比重仅有钢的四分之一,在几千度的高温下,别的纤维早已化为灰烬,它却纹丝不动,这样神奇的纤维,成为了当今航空航天、国防军用、建筑、交通、体育休闲等领域的“香饽饽”。东华大学材料学院陈惠芳科研团队联合中复神鹰碳纤维有限责任公司多年攻关,突破干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术,实现了国产碳纤维的批量供应,填补了国内以干喷湿纺工艺为代表的高性能碳纤维生产技术的空白,打破了国外高性能碳纤维企业在中国市场的长期垄断,该项目荣获2017年度国家科技进步一等奖。


瞄准碳纤维研究这件事

从1982年毕业留校工作至今,陈惠芳就瞄准了碳纤维研究这件事,她说:“要让中国高性能碳纤维更‘强’。”谈及这份执着,陈惠芳告诉记者,高性能碳纤维是个好东西,但是碳纤维研发投入高、周期长,核心技术又长期被日、美等国严密封锁,我国碳纤维市场长期处于进口产品垄断状态,高昂的进口价格和严苛的技术封锁严重制约着我国碳纤维的发展。高性能碳纤维的研发能力如何,直接关系到国与国之间的竞争实力。“我就不相信咱中国人造不出高质量的高性能碳纤维!”怀着朴素的爱国情怀,陈惠芳凭着一股劲儿,全身心投入到高性能碳纤维的研究事业中。

从上世纪80年代至今,东华大学一代又一代的材料人围绕国家对高性能纤维与复合材料的迫切需求,海、陆、空全面出击,持续系统展开科研攻关。从创建新中国第一个“化学纤维”专业的钱宝钧教授到潜心攻克高纯航天粘胶基碳纤维难题的潘鼎教授,一代代东华材料人始终坚持用科研服务国计民生,如今这个接力棒交到了陈惠芳手上,任重而道远。

陈惠芳带着自己的科研团队迎难而上,几十年如一日,满腔热情地投入到高性能碳纤维的自主研发上去。功夫不负有心人,陈惠芳科研团队联合中复神鹰碳纤维有限责任公司通过不断摸索、反复实验,终于突破了制备高性能碳纤维的先进技术——干喷湿纺。干喷湿纺工艺被认为是今后碳纤维生产的主流工艺,但也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术,目前在国际上仅有日本的个别公司掌握这一工艺。这一关键技术的突破使得纺丝速度可以达到400m/min以上,纺丝速度是传统湿法纺丝的5倍,同时还开发出干喷湿纺原丝快速预氧化技术,有效缩短了预氧化时间,大大提高了生产效率。干喷湿纺关键技术突破后,开发了均质聚合系统、高效环保脱单、稳定干喷湿纺、节能预氧化的成套技术,最终我国首个采用干喷湿纺工艺的千吨级碳纤维生产线正式投产,技术达到国内领先水平,制备出的碳纤维产品性能与国际同类产品相当。如今,随着技术的不断革新改进,该条生产线每年能生产近5000吨原丝和2000吨碳丝,产品实现了产业化并批量供应市场,极大促进了国内碳纤维复合材料产业的发展。

产学研拧成一股绳

“我们做的只是实验室的一件小事,在实验室把基础理论研究做通做透,攻克技术难题,高性能碳纤维产业化的大事要交给企业去完成,去给社会创造更大效益!”对于干喷湿纺这一关键技术的突破,陈惠芳轻描淡写地说道,她说自己只是做了科研人员该做的事,从实验室到市场的“最后一公里”需要有担当有实力的企业去打通。而在此次国家科技进步奖评审的答辩中,项目第一完成单位、中复神鹰碳纤维有限责任公司的董事长张国良则把这份荣誉归功给了学校:“企业产业化的突破离不开东华大学老师们的基础理论研究和技术攻克。”正是这样的紧密合作和协同创新,让企业和学校紧紧地“抱”在一起,产学研拧成一股绳,劲往一处使,合力攻克高性能碳纤维产业化的各项技术难题。

在关键技术产业化的过程中,陈惠芳带着科研团队经常往返于上海、连云港两地,在连云港企业车间的生产线上紧盯每一道工序。从实验室的技术突破到产品工业化还是有区别的,一些实验室里的小问题一旦摆到生产线上就会被放大。整个碳纤维的生产,从前到后,中间控制的有三千多个工艺点,每一个工艺点都要进行严格稳定的控制,哪个工艺点参数发生了变动,碳纤维质量马上就不行了。在机器声轰鸣的车间,陈惠芳科研团队和企业工作人员协同合作,不断调试方案和关键技术,一旦发现问题就地解决。

记者了解到,东华大学依托纤维材料改性国家重点实验室等13个国家和省部级基地,坚持产学研用结合,自2009年起,东华大学—中复神鹰碳纤维工程技术中心、东华大学—中复神鹰碳纤维工程研究中心、东华大学材料科学与工程博士后流动站科研基地、鹰游集团碳纤维博士后科研工作站科研基地等协同创新平台陆续成立,学校和企业在多项成果转化项目中,共同申报及承担科研任务,充分发挥双方优势,为推进碳纤维产业化进程提供强有力的科技支撑和坚实保障。

做科研需要有拼劲

科学研究没有捷径,在高性能碳纤维的研究道路上,陈惠芳带领科研团队稳扎稳打,几十年的研究生涯里,做过成千上万次实验,失败过无数次,但是从没有想过放弃,因为一旦放弃,所有的努力都白费了。“陈老师做科研真的很拼!”谈及陈老师做科研的那股劲,科研团队里最年轻的博士后巨安奇连连感叹,他告诉记者,陈惠芳老师经常和团队成员扑在科研实验第一线。大夏天,在没有空调的高性能碳纤维工程基地,穿着工作服进去没一会儿就湿了一身的汗,陈老师带着他们一干就是一整天。由于原丝的纺丝过程中不能够间断,而且需要四五个人员实时监控,及时排除纺丝过程中的问题,有时候完成一次实验就要从一大早忙到凌晨一两点,陈老师从来没喊过苦喊过累,她说一想到纺丝纺得好、工艺有突破,心里别提多开心了,哪还记得那些苦啊。陈老师做科研的这股拼劲也影响着团队的每个人,大家把寒暑假、节假日能挤出来的时间都花在了反复实验和研究中,这样的精神头搞起科研来哪里还有克服不了的难关。

虽然科研过程中难免遇到不少“拦路虎”,但是天性乐观的陈惠芳始终坚信一定能够啃下高性能碳纤维研制这块“硬骨头”。谈及研究初期有限的硬件条件,陈惠芳这样说道:“没有条件我们自己创造条件搞科研!”在当初摸索干喷湿纺这个技术时,陈惠芳和团队成员利用一台废旧的单丝强力仪的螺杆改造出一台单孔纺丝机,干喷湿纺的技术就是在这台看似简易的纺丝机上开始摸索实践的。而为了实现干喷湿纺工艺中的高倍拉伸,团队还自行设计、研制了高压蒸汽拉伸机,为了达到最优的实验结果,对机器也是不断地调整革新,光是高压蒸汽拉伸机就革新了四代。没有陈惠芳这样在实验室里反复琢磨、较真的科研态度,就没有科研成果转化后企业生产线上批量生产的高性能碳纤维。

科学研究是一个不断攀登高峰的过程,陈惠芳表示,她和她的团队对高性能碳纤维的研究不会止步,未来高性能碳纤维在大飞机、新能源汽车等领域都有着很大的应用前景,而高性能碳纤维要实现完全自主国产化依旧需要不断地技术攻关,她希望能用毕生精力去圆她的中国梦——让中国高性能碳纤维更“强”!



视频:   摄影: 王宇撰写:朱一超  信息员:朱一超  编辑:向娟

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