b体育网站官方登录·他们为中国高性能碳纤维闯出一片天


发布时间:2024-07-08 01:06:32 来源:b体育网站登录 作者:b体育网页版登录

  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

  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。

  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有关部门,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,项目团队很快在扬州启动了氧化碳化线日完成建设任务。

  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,还必须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,而且过滤设备可以多年不清洗。”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。

  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性能稳定且达到“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测报告单出炉。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,习总在山西考察时强调,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。在全行业共同努力下,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快速增长,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,碳纤维性能稳定,大家发现,厂房外笼罩了一夜的浓雾散了,阳光明亮而热烈。


b体育网站官方登录 上一篇:行业追踪锂电负极材料(6月24日-6月30日):天然石墨(低端产品)价格环比没有变动 下一篇:大口径碳纤维管型材管生产厂家
向你推荐