中国碳纤维的生力军,寄情创新梦想

习近平:核心技术是高端材料自主供给的关键

访韩杰才院士:寄情创新梦想 引领产业升级

中国碳纤维的生力军

本报讯5月30日,习近平出席全国科技创新大会、两院院士大会、中国科学技术协会第九次全国代表大会时强调:材料是制造业的基础,目前我国在先进高端材料研发和生产方面差距甚大,关键高端材料远未实现自主供给。

“创新成果需要加强知识产权保护,产业发展需要加强知识产权运用。”作为中国科学院院士、著名复合材料和光学材料专家,韩杰才在科研工作中始终如一致力创新。他在复合材料和光学材料领域的研究与创新硕果累累,很多已经实现产业化,为提升我国产业发展水平做出了杰出贡献。如今,他已经是拥有60余件中国发明专利的专利权人,两次荣获国家技术发明奖二等奖。在韩杰才的世界里,创新一直是他不懈的追求。

■本报记者 王晨绯

对此,长期从事材料科学研究的中科院院士韩杰才感受很深。

从航空航天到高铁舰船,几乎所有工业制造都与材料息息相关,而在高技术领域,新型复合材料已经成为国际产业竞争的热点之一。这一领域,正是韩杰才研究与创新的方向。

碳纤维是一种纤维状碳材料,呈黑色,质坚硬,是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢耐腐蚀、比耐热钢耐高温,又能导电,具有电学、热学和力学等综合优异性能的新型材料,因其制造技术难度大、实用价值高,被业界誉为“黑色黄金”。它能够广泛应用于航空、航天、能源、交通、军用装备等众多领域,是国防军工和民用生产生活的重要材料。

“习主席对我国材料领域的这个论断非常准确。”6月2日接受《中国科学报》记者采访时,韩杰才表示,“正如习主席所说,在先进高端材料领域,核心技术的研发是关键,同时也要注重产品化过程。”

从上世纪80年代起,原产于我国的陶瓷材料,就以其耐热、耐磨、耐腐蚀和比重小等优点成为世界材料学科研发的重点。凭着肯吃苦、重钻研、敢创新的精神,韩杰才在读研期间,凭借超强的逻辑归纳能力和简明扼要的文笔,交出了一篇内容丰富全面的陶瓷材料文献研究的论文,令导师大为惊喜。

全球碳纤维核心技术一直被牢牢掌控在日本、美国等少数发达国家手中,他们始终保持对中国碳纤维行业严格的技术封锁。为了突破这一封锁,在国家发展和改革委的鼎力支持下,由中科院山西煤炭化学研究所牵头的碳纤维制备技术国家工程实验室于2009年获批建立。

先进高端材料,是性能满足特殊要求的一些材料。“这些材料核心、关键,比例又不太高。”韩杰才表示。

在后来的科研工作中,韩杰才继续把对陶瓷复合材料的研究作为重点之一。为了早一天拿出成果,他全力以赴投入实验研究之中。当时,为了做实验,他不得不坐一夜火车从哈尔滨去牡丹江,做陶瓷材料制备工艺的研究实验,第二天在工厂热压合成完材料后再返回学校完成技术指标研究、提出修改方案,晚上再乘车去牡丹江。这样一直坚持了两周时间,用最短的时间交出了一份出色的研究成果。

科学、技术和工程的有机结合

制约我国先进高端材料发展的因素之一,便是许多核心技术尚未突破。在韩杰才看来,我国材料领域的科学研究水平并不低,“发表的论文、影响力、人才队伍,都排在世界前列,仅次于美国”。

多年以来,正是凭着这种不畏艰辛、勇于创新的精神,韩杰才在长期从事超高温防热复合材料、红外透波材料等研究领域内攻下了一道又一道难关,取得了一个又一个杰出的科研成果,拥有了一系列中国发明专利。周围的同事都说,韩杰才始终在创新的世界里奔跑。

“碳纤维制备技术国家工程实验室以增强我国碳纤维制备技术的自主创新能力,突破核心技术,提升产业竞争力为目标,以该领域技术的重大科研成果进一步研究开发和产业化为任务,以市场为导向,围绕新材料产业的发展需要,开展相关产业关键技术攻关,提高碳纤维制备技术领域的自主创新能力。”实验室主任吕春祥告诉记者。

“但是,要让高水平的研究成果变成产品、商品,还要解决可靠性、寿命及质量等问题。”韩杰才强调,“不能止于科学研究中的某个高指标。”

“一个产业的成功,是技术优势与市场优势结合的结果。”韩杰才认为,提升技术创新成果及知识产权运用水平,体现技术优势并结合市场优势,才能提升整个产业发展水平。

碳纤维制备技术国家工程实验室依托在中科院山西煤化所建设,中科院宁波材料所、化学所、上海有机所为共建单位。实验室实行理事会领导下的实验室主任负责制,理事长单位为中科院山西煤化所。

韩杰才看到,当前,材料科学研究中,确实存在只为尽快发表高水平论文拿到成果的浮躁心态,而缺乏对更深层次的核心机理、工艺参数的研究。“这种‘粗放式’的研发,导致我们的东西存在缺陷或商业化过程不够。”

2000摄氏度以上的超高温防热是当代发展航空航天产业最具挑战的高技术之一。为此,韩杰才率领研发团队建立了超高温热环境等效模拟和在线分析装置,揭示了超高温复合材料非平衡氧化烧蚀机理,发展了细观烧蚀理论、提出了氧化抑制机制与方法,其研发的超高温非烧蚀防热复合材料填补了国内空白,并拥有了相关技术的知识产权,还实现了产业应用。该技术也因此荣获2014年国家自然科学二等奖。

“在国家专项经费支撑下,通过基础研究、工程化研究、工业化示范到产业应用的全过程研究,形成具有自主知识产权的原创技术,实现了基础研究、高技术攻关、工程化和产业化技术的系统性和集成性。”吕春祥说。

例如,一种耐高温材料制造的叶片,其寿命普遍比国外同类产品短。在碳纤维领域,我国生产的产品一致性则不足。“先进工艺生产的碳纤维都是合格的,我们厂家生产的还要经过筛选才能得到合格产品。”韩杰才说。

近年来,韩杰才先后主持或承担国家重大基础研究、“863”高技术专项、国家自然科学基金重点项目十余项。他领衔所做的研究,实现了材料氧化抑制与高温强韧化的协同,应用于航空航天领域;他发明了大尺寸蓝宝石晶体专用生长方法及生长装备、四面体非晶碳复合增透保护膜及制备工艺,并实现了产业化,取得了良好的效益。

实验室瞄准的是国家重大战略和国民经济需求,针对的是碳纤维产业发展中的瓶颈技术。“我们通过集中中科院内外的相关领域的优势力量,构建国家层面的完整的聚丙烯腈碳纤维关键技术攻关、工程化研究和产业化应用支撑平台,开发具有国际先进水平的工艺、装备和配套材料的系列化碳纤维制备技术,建立碳纤维工艺规范、表征手段和技术标准,提高我国聚丙烯腈碳纤维领域的自主创新和技术集成能力。”与此同时,实验室还要建立碳纤维领域产学研的结合机制,与产业部门紧密结合,引领和带动高性能碳纤维开发和应用顺利进行。

韩杰才认为:“这样的现象还是因为我们对核心的科学问题研究不够。”

“一寸光阴一寸金,寸金难买寸光阴。”在追逐创新梦想之路中,韩杰才永远是一个同自己赛跑、同时间赛跑的人。在他的身上,体现出特别能创新、特别能吃苦、特别能攻关、特别能奉献的精神。“身为共产党员,为实现中华民族伟大复兴的中国梦而奋斗,就能获得无穷的乐趣。”这就是韩杰才的肺腑之言。

2010年,碳纤维制备技术国家工程实验室组织召开了第一届技术委员会第一次会议,技术委员会名誉主任、资深两院院士师昌绪先生,技术委员会主任才鸿年院士等多名国内碳纤维专家参加了会议,对实验室的发展提出了重要的建议和意见。在这次会议中,原中科院副院长施尔畏语重心长地说:“要充分利用碳纤维制备技术工程实验室平台,做好碳纤维研发工作;要静下心来持之以恒地把科学、技术和工程基础有机结合起来,以占领碳纤维技术高地,使工程实验室真正成为中国碳纤维的生力军;要把与用户结合放在首位,以应用推动研究;要结合国家有关规划形成系统布局,抓住机遇,不图虚名,走出一条工程实验室发展的路子来。”

同时,材料从研发到生产的全链条一条龙的解决方案也亟待突破。例如,由于生产流程全面优化不够,多晶硅生产过程产生大量对环境不友好的副产物。“如果不解决副产物的应用问题,多晶硅的成本就下不来。”韩杰才指出,“这样的产品尽管水平高,但没有通过市场的检验,用户面就得不到扩大。”

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近几年来,碳纤维制备技术国家工程实验室围绕航空、航天、能源、交通等领域的重大战略任务与重点工程对碳纤维复合材料的迫切需求,建立碳纤维制备工程化技术平台,开展丙烯腈聚合、原丝纺制、氧化碳化后处理等工程化技术研究,研制了聚合反应器、纺丝专业设备、氧化炉、高温炭化炉、石墨化炉等关键设备,开发自主知识产权的碳纤维制备工艺和配套材料并形成成套技术和应用评价体系。

多年来,韩杰才带领的团队揭示了材料超高温烧蚀机理和规律,发展了细观热烧蚀理论,提出了多元氧化物和固溶体抑制氧化烧蚀的机制,实现了材料氧化抑制与高温强韧化的协同,应用于高超声速飞行器防热系统。

2009年,由该实验室的中试基地—中科院山西煤化所扬州碳纤维工程技术中心研发生产的宇航级T300碳纤维实现工艺定型和稳定供货,这一技术突破了日本、美国等发达国家的技术与市场垄断壁垒,实现了尖端领域碳纤维的国产化保障,满足了国家重大需求。此后,实验室又相继突破了T700、T800碳纤维产业化技术,为国家尖端领域重要装备的研究和生产发挥了重要的作用。高性能碳纤维的稳定量产和新产品的不断研发,将会极大地促进国产碳纤维及复合材料领域的发展,促进新材料领域产业的升级,同时也为我国国防军工事业的发展作出了有益探索。

同时,该团队发明了大尺寸蓝宝石晶体专用生长方法及生长装备、四面体非晶碳复合增透保护膜及制备工艺,并实现了产业化。

“碳纤维制备技术国家工程实验室抓住国家将新材料产业作为战略性先导产业的契机,采用先进技术建设高性能碳纤维项目,加快高性能聚丙烯腈基碳纤维项目的建设,推动高性能碳纤维及其复合材料工业化技术和产品的发展。”吕春祥介绍,实验室技术先后支持中科院山西煤化所扬州碳纤维工程技术中心、河南永煤碳纤维有限公司、常州中简科技发展有限公司、山西钢科碳材料有限公司、浙江泰先新材料股份有限公司等单位建设了T300、T700、T800碳纤维工程化研究平台和产业化基地,提升了我国在碳纤维领域的自主创新和技术集成能力,对满足关键领域用碳纤维的国产化应用,抵御国外的封锁,具有重要的意义。

韩杰才这样总结:“只有突破核心技术,才能实现先进高端材料的自主供给。”

碳纤维制备技术国家工程实验室产业化基地的建设,得到了各级领导的高度关注,江泽民、李长春、王刚、万钢等党和国家领导人先后视察了扬州碳纤维工程技术中心、河南永煤碳纤维有限公司,对碳纤维国产化工作给予高度评价。

最后,韩杰才建议,在我国开展供给侧结构性改革的当下,推进先进高端材料的研发,首先要加强基础研究。“科学家们应当静下心来一个问题一个问题地解决,搞清楚最根本的科学问题。”

碳纤维制备技术国家工程实验室建成以来,取得了丰硕的成果,先后获得了中国科学院杰出科技成就奖、山西省科技进步奖一等奖、国家国防科工局创新团队奖、国家科技进步奖二等奖等奖励,申请专利40余项,已授权28项,在国内外期刊发表研究论文60余篇。碳纤维制备技术国家工程实验室已成为碳纤维技术研发基地、产业化技术支撑基地、碳纤维人才培养基地。

其次,应当加强科学研究与市场的对接。“让市场来反哺和促进材料的成熟化和应用。”韩杰才表示,“只有不断了解市场的需求,研究才能更加深入。”

《中国科学报》 (2016-08-08 第6版 院所)

《中国科学报》 (2016-06-04 第4版 科技盛会)

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