遲偉東：突破瀝青碳纖維的“禁區(qū)”

本刊記者 王 輝

隨著科技的不斷進步，越來越多的新型材料被廣泛應用于生產、生活中。瀝青基碳（石墨）纖維作為20世紀60年代研發(fā)出來的新型材料，至今已廣泛應用在交通、機械、體育娛樂、醫(yī)療衛(wèi)生、土木建筑等領域，尤其是中間相瀝青碳（石墨）纖維因質輕并具有高強度、高導熱、超高模量、能耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良特性，成為航空航天工業(yè)和國防建設不可或缺材料。當時，在國際上能夠生產中間相瀝青碳纖維的只有日本和美國，并已形成一定的生產規(guī)模和系列化產品。而我國還處于實驗室研發(fā)和中試階段，與國外差距很大，嚴重制約了我國相關領域的發(fā)展與規(guī)劃。

為突破這一困局，我國許多科研部門展開了超高模量石墨纖維的國產化研究與制備，其中，北京化工大學碳纖維研究所研究員遲偉東帶領團隊攻堅克難、經不懈努力于2008年在國內率先突破中間相瀝青連續(xù)紡絲技術和連續(xù)氧化、碳纖維技術，打破了美國、日本等國家對中間相瀝青碳（石墨）纖維產品和技術的封鎖和壟斷，填補了國內空白。

為心中的目標而努力

也許是大學期間養(yǎng)成的親力親為的習慣，在中間相瀝青碳（石墨）纖維的實驗研發(fā)和成果轉化過程中，始終看到遲偉東在一線，查找問題、改良設備、改善技術……

1985年，遲偉東初次踏入北京化工學院（北京化工大學前身），從此開啟了他的學習、研究征程，特別是在1991年讀研究生時他有幸遇良師引導，開始研究瀝青碳纖維。在攻讀博士學位期間，他參與為美國企業(yè)研究制作剎車片，在研究中他打破常規(guī)，利用短節(jié)纖維和瀝青混合模壓、碳化的方式制作了低成本的碳/碳復合材料剎車片，達到了企業(yè)的預期要求，1997年他獲得北京化工大學博士學位。

回想自己在北京化工學院求學的那段日子，遲偉東覺得在學校開展了大量基礎性研究，掌握了基本制造工藝，并且最讓他受益匪淺的是，1989年至1991年間，他在哈爾濱北方橡膠廠的實踐煅煉。在那里，他有機會與一線工人的接觸，學會了如何設計、加工產品，這段經歷讓他在以后的研究中，養(yǎng)成了遇到問題自己動手改進的習慣。

“北京化工大學碳纖維及復合材料研究所在碳纖維及其他新型碳材料領域的研究居國內前列，尤其是在高模量碳纖維（PAN基高模碳纖維和中間相瀝青基碳（石墨）纖維）方面?！痹谶@里，遲偉東可以有“有武之地”，他選擇了留校任教。

“如果衛(wèi)星使用中間相瀝青基碳（石墨）纖維可減少十幾公斤甚至幾十公斤的重量，而且在研究中我們還發(fā)現(xiàn)中間相瀝青基碳（石墨）纖維在一定的溫度下具有吸收電磁波的作用，這就是說明它還可用作隱身材料……”遲偉東如數(shù)家珍地給記者描述中間相瀝青碳（石墨）纖維的奇妙效果，正是這些效果，使美國、日本對其產品和技術長期封鎖和壟斷。

沒有參考和借鑒要制作出與美日同等質量和效果的產品，對于遲偉東來了說無疑是艱巨的挑戰(zhàn)，在長期深入研究中間相瀝青形成機理中，遲偉東先從原料的組成、熱縮聚反應的溫度、壓力和時間等條件對中間相瀝青的結構和性能影響的規(guī)律入手。在對中間相瀝青的流變特性研究基礎上，他多次對噴絲板結構和紡絲工藝條件進行優(yōu)化，制備出直徑在10μ左右的中間相瀝青連續(xù)長絲。根據(jù)纖維的不熔化機理以及碳化、石墨化反應機理，他對不同種類碳（石墨）纖維制備的各階段的工藝參數(shù)與產品的結構和性能的相關性進行了充分地研究，獲得了大量的基礎數(shù)據(jù)。

在攻讀碩士學位期間，他就加入了導師領銜的科研團隊，參加了“863計劃”“高模量碳纖維的研制”攻關任務，在恩師帶領指導下經過整個團隊的共同努力，他們建成了中間相瀝青的中試生產線，包括原料蒸餾、過濾裝置，和100L聚合釜，形成年產中間相瀝青100公斤的生產能力，全面掌握了中間相瀝青基碳（石墨）制備小試工藝，研制出高性能中間相瀝青基石墨纖維，單絲試樣的抗拉強度為3.0～3.4GPa，拉伸模量為700～973GPa，與美國Amoco公司的高導熱石墨纖維K－1100相近。在小試基礎上，進行了中間相瀝青基碳（石墨）纖維連續(xù)化生產的研究，初步打通了中間瀝青紡絲、氧化、碳化工藝，獲得0.5K瀝青基石墨纖維，連續(xù)長度為500米，其性能達到σ:2.5GPa,E:527Gpa，與美國Thornel?P-75相當，在此期間，他不但在科研能力方面得到了很大的提高，更重要的是在科研態(tài)度、團隊合作及奉獻精神等方面得到了鍛煉，這為他制備長度1000米中間相瀝青碳（石墨）纖維奠定了基礎。

為實現(xiàn)中間相瀝青碳纖維國產化而努力

“制備一根瀝青碳纖維單絲容易，但制備一束連續(xù)長絲就是巨大挑戰(zhàn)”，2006年前后，遲偉東獲2項軍工配套項目的支持，他開始了在中間相瀝青碳纖維領域新的探索，希望能借此機會突破中間相瀝青碳纖維連續(xù)化制備技術的難關，研制出連續(xù)長度大于1000米的中間相瀝青碳纖維束絲。由于瀝青纖維的強度極低，接近于0，稍有風吹草動都可能碎斷，這無疑增添了更大的挑戰(zhàn)，但再難也撼動不了遲偉東心中的目標，為盡快解決紡絲連續(xù)化的難題，他不囿于傳統(tǒng)方法，突破理論束縛，日思夜想尋找方法。

經過兩年多的努力，2008年，他完全打通中間相瀝青的紡絲、氧化、碳化連續(xù)化工藝，創(chuàng)新性地提出了新的紡絲工藝。這一新工藝的特點是，纖維直徑的可控好，斷頭率很低，一束纖維中包含的單絲數(shù)量可控。利用這種工藝，目前可生產1K、2K、3K的系列瀝青纖維產品，纖維的連續(xù)長度均在1000米以上。在前期制備出連續(xù)瀝青纖維長絲的基礎上，他進行了瀝青纖維連續(xù)氧化、碳化工藝的研究，重點解決了瀝青纖維在氧化、碳化過程中的加張力問題，通過設計一種特殊結構的瀝青纖維加張系統(tǒng)，可在瀝青纖維上施加所需張力，同時對連續(xù)氧化的走絲速度，各氧化爐、碳化爐的溫度場分布對制品性能的影響進行了研究，并突破了瀝青纖維連續(xù)氧化、碳化工藝，制備出連續(xù)長度大于1000米的中間相瀝青基碳纖維，形成了100公斤級的生產能力。

產業(yè)報國、創(chuàng)新為民。只有加強產學研用緊密結合，才能實現(xiàn)科技成果向現(xiàn)實生產力轉移轉化。遲偉東深知，這項技術成果要廣泛應用，就得把研究成果盡快轉化為產品，實現(xiàn)產銷一條龍。從2008年至2009年間遲偉東走出了校園，不等不靠主動與企業(yè)聯(lián)系合作?！皣医o予了一定的投入，如果只做實驗，沒有產品是很難向國家交待的，而且在企業(yè)的支持下，我們可有足夠的經費進行更深入的研究?！?013年，他與山東瑞城宇航碳材料有限公司開展合作?！鞍l(fā)展”成為這次合作的重心，為把中間相瀝青碳纖維技術轉化發(fā)展成產品盡早投入我國航空航天等方面使用，遲偉東和團隊從技術和原料上給予山東瑞城宇航碳材料有限公司大力支持，幫助建成一條具有年產中間相瀝青碳纖維300公斤生產能力的中試生產線，可生產出1K、2K、3K，連續(xù)長度大于1000米的中間相瀝青基碳（石墨）纖維，這是國內第一條中間相瀝青碳纖維中試生產線。2014年10月，生產線開始調試。2014年11月，開始試運行。2014年12月28日，生產出第一批中間相瀝青碳纖維產品，并于12月30日送北京衛(wèi)星制造廠進行時試用，這標志著我國具有自主知識產權的中間相瀝青碳纖維產品已經問世，我國中間相瀝青碳纖維的發(fā)展已經進入了新的歷史階段。

“學海無涯、追求無界”，為把中間相瀝青基碳（石墨）纖維技術運用到更廣的領域，遲偉東有自己的目標，他希望建立聯(lián)合實驗室，調整原料結構，完善制備中間相瀝青碳纖維的機械設備，在5年內實現(xiàn)國產中間相瀝青碳纖維產品達到美、日產品的性能和質量。