國(guó)家自然科學(xué)基金大力支持碳纖維基礎(chǔ)研究

夯實(shí)基礎(chǔ)研究 謀求技術(shù)突破 

    12月18日凌晨，總重達(dá)533噸、長(zhǎng)79米、高5.2米的“巨無(wú)霸”燃?xì)鈾C(jī)一路顛簸，安全抵達(dá)北京太陽(yáng)宮燃?xì)鉄犭娎渎?lián)供工程的工地。北京太陽(yáng)宮燃?xì)鉄犭娎渎?lián)供工程是2008年奧運(yùn)行動(dòng)規(guī)劃項(xiàng)目，是奧運(yùn)場(chǎng)館配套設(shè)施，將替代供熱區(qū)域內(nèi)原有的多座燃煤采暖鍋爐房，減少污染排放。據(jù)說(shuō)，這個(gè)“大家伙”是有史以來(lái)進(jìn)入北京四環(huán)以內(nèi)最重的設(shè)備。為保證這一設(shè)備安全抵京，路政部門(mén)對(duì)多處道路和橋梁采用多種技術(shù)手段進(jìn)行加固，其中包括最新的粘貼碳纖維膜技術(shù)。 

    “1988年1月，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所孫慕瑾研究員得到國(guó)家自然科學(xué)基金支持，開(kāi)始‘低溫等離子體改性碳纖維表面機(jī)理研究’。自那時(shí)起，國(guó)家自然科學(xué)基金委已經(jīng)持續(xù)在這一領(lǐng)域支持了二三十項(xiàng)直接涉及碳纖維基礎(chǔ)研究的項(xiàng)目。為提高碳纖維復(fù)合材料的品質(zhì)，現(xiàn)在更多的研究者將目光轉(zhuǎn)向了基礎(chǔ)研究。”國(guó)家自然科學(xué)基金委工程材料學(xué)部無(wú)機(jī)非金屬材料科學(xué)處處長(zhǎng)陳克新說(shuō)。 

    比鋼板強(qiáng)度大十幾倍的“布” 

    北京市路政局公路管理處工作人員介紹說(shuō)，本次北京太陽(yáng)宮燃機(jī)運(yùn)輸路線途經(jīng)京塘舊路榆林莊橋、土橋。由于使用年代較久，這兩座橋梁的安全系數(shù)難以達(dá)到要求。為保障運(yùn)輸安全，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家組論證，對(duì)這兩座橋梁分別采取了加固措施，采用貼碳纖維“布”（膜）的方法加固的是榆林莊橋。在通州分局路政大隊(duì)的監(jiān)管下，燃?xì)鈾C(jī)到達(dá)的前一天已完成對(duì)榆林莊橋15片梁的加固工程。 

    “碳纖維材料有很多優(yōu)異的特性，隨著人們對(duì)碳纖維認(rèn)識(shí)的深入，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域與日俱增，廣泛應(yīng)用在航空航天、文體用品、紡織機(jī)械、醫(yī)療器械、生物工程、建筑材料、化工機(jī)械、運(yùn)輸車(chē)輛等方面。此外，碳纖維復(fù)合材料還在開(kāi)發(fā)不用潤(rùn)滑油的軸承、齒輪、軸瓦、轉(zhuǎn)軸、提升輪等運(yùn)動(dòng)頻繁、負(fù)荷大的零件方面有很好的前景?！北本┗ご髮W(xué)教授趙東林說(shuō)。 

    據(jù)介紹，碳纖維的主要性能是抗拉強(qiáng)度高、密度小、比強(qiáng)度高，碳纖維的密度是鋼的1/4、是鋁合金的1/2，其比強(qiáng)度（材料的抗拉強(qiáng)度與材料密度之比）比鋼大16倍、比鋁合金大12倍。此外，碳纖維還有耐超高溫、耐低溫、耐酸腐蝕、耐驟冷驟熱等特性，即使從3000℃ 的高溫突然降到室溫也不會(huì)炸裂，其耐腐蝕性能也超過(guò)黃金和鉑金。 

    隨著我們對(duì)碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的掌握，碳纖維材料更多地應(yīng)用到日常生活中。中國(guó)體育用品市場(chǎng)上，越來(lái)越多地使用碳纖維復(fù)合材料件制造高性能器材，如高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等，其他還包括滑雪板、滑雪車(chē)、箭桿、釣魚(yú)竿、自行車(chē)車(chē)架、船槳、公路賽車(chē)。在土木建筑領(lǐng)域，利用碳纖維復(fù)合材料棒材替代圓鋼，利用碳纖維片材加固或修復(fù)橋梁及建筑物，及利用碳纖維增強(qiáng)混凝土等都有很大的發(fā)展。目前我國(guó)應(yīng)用于土木建筑領(lǐng)域有復(fù)合材料棒材、纖維增強(qiáng)膠接層板、碳纖維增強(qiáng)混凝土、碳纖維復(fù)合材料板、碳纖維單向布等。 

    “纖維膜有很多優(yōu)異的材料特性，這種和‘布’類(lèi)似的薄膜強(qiáng)度是鋼板的十幾倍，將它貼在橋梁上，可以使橋梁抗壓力增強(qiáng)，而且能將壓力均勻分布到各受力點(diǎn)。與其他方法相比，這種貼膜法施工相對(duì)簡(jiǎn)單，加固效果明顯，被廣泛應(yīng)用于大型建筑和橋梁的加固上。”冶金部建筑研究總院副院長(zhǎng)、國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任岳清瑞說(shuō)。 

    大量舊工程迫切需要加固 

    1959年，日本人Shindo A首先發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)纖維制造碳纖維，如今碳纖維已發(fā)展成為獨(dú)立完整的新型工業(yè)體系，并被喻為21世紀(jì)的“黑色革命”。1960年，長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所已著手于PAN基碳纖維的研究，上個(gè)世紀(jì)70年代初已完成連續(xù)化中試裝置。其后，上海合成纖維研究所、中國(guó)科學(xué)院山西煤化所等單位也開(kāi)展研制工作，并于80年代中期通過(guò)了中試，進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化試生產(chǎn)階段。“我國(guó)碳纖維發(fā)展從20世紀(jì)六七十年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，從無(wú)到有，從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績(jī)，但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低?！壁w東林說(shuō)，“近些年，我國(guó)加大了對(duì)碳纖維研究的支持力度，碳纖維復(fù)合金屬、陶瓷、水泥等多項(xiàng)研究都在進(jìn)行。碳纖維研究也成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，我國(guó)國(guó)家工程技術(shù)中心也設(shè)在化工大學(xué)?！?nbsp;

    趙東林介紹說(shuō)，碳纖維技術(shù)在土木工程方面的應(yīng)用，只是碳纖維研究的一個(gè)方面。通常在土木工程上主要有兩種應(yīng)用形式。一是將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在新建工程當(dāng)中，在施工時(shí)采用碳纖維復(fù)合鋼材、水泥等材料；二是對(duì)舊工程加固，采用貼碳纖維膜、涂碳纖維水泥等方式整修、加固舊工程。目前在工程上主要是舊建筑的加固，在新建工程應(yīng)用上還是研究得多，應(yīng)用得少。 

    在開(kāi)始碳纖維研究較早的日本，以前有過(guò)使用碳纖維復(fù)合材料和不使用碳纖維復(fù)合材料工程的對(duì)比?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)已使用碳纖維復(fù)合材料的橋梁和建筑，幾十年后沒(méi)有太明顯的變化。而沒(méi)有加入碳纖維復(fù)合材料的工程就損壞得比較快。新中國(guó)成立初期，國(guó)家百業(yè)待興，人民建設(shè)熱情高漲，曾建設(shè)了一大批為人民生產(chǎn)生活提供必備基礎(chǔ)和方便的水庫(kù)、隧道、橋梁和一些大型標(biāo)志性建筑。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的技術(shù)條件所限，很多工程在經(jīng)歷四五十年的風(fēng)雨后已不堪重負(fù)，采用新型便捷的加固方法顯得十分迫切。 

    在土木工程中應(yīng)用碳纖維材料方面，岳清瑞曾進(jìn)行過(guò)較早的探索。因?yàn)楫?dāng)時(shí)“國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)幾乎是一片空白”，岳清瑞決定先扎扎實(shí)實(shí)搞碳纖維的技術(shù)研究。他一面著力提高改善碳纖維的性能，一面著手建立市場(chǎng)規(guī)范。在做好國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”、國(guó)家科技部“九五”攻關(guān)項(xiàng)目“碳纖維材料加固修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用示范”、科研院所技術(shù)開(kāi)發(fā)研究專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目“纖維增強(qiáng)復(fù)合材料型材及其關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究”、“863”項(xiàng)目“高性能低成本復(fù)合材料在現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與材料研究開(kāi)發(fā)”等研究的基礎(chǔ)上，岳清瑞主持編制了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、建設(shè)部產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《加固修復(fù)混凝土用碳纖維片材》、《加固修復(fù)混凝土用黏結(jié)樹(shù)脂材料》、《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋》、《結(jié)構(gòu)加固用玻璃纖維布》等一系列相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用碳纖維膜加固大型建筑方面，岳清瑞負(fù)責(zé)會(huì)診、修整了很多項(xiàng)大工程，像天安門(mén)城樓、軍事博物館、人民大會(huì)堂、民族文化宮等解放初期興建的十大建筑中，他主持加固過(guò)七個(gè)。 

    “今天的基礎(chǔ)研究，就是明天的應(yīng)用技術(shù)” 

    今年5月25日，在國(guó)家自然科學(xué)基金委為建委20周年而舉辦的“21世紀(jì)科學(xué)前沿與中國(guó)的機(jī)遇”高層論壇上，李政道先生在闡釋基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)的關(guān)系時(shí)曾說(shuō)，“今天的基礎(chǔ)研究，就是明天的應(yīng)用技術(shù)。” 

    國(guó)家自然科學(xué)基金委工程與材料科學(xué)部的資助領(lǐng)域?qū)W科跨度大，應(yīng)用性強(qiáng)。創(chuàng)新多體現(xiàn)在學(xué)科交叉和多種技術(shù)的綜合集成應(yīng)用，既要在單元技術(shù)上深入研究和形成突破，又要綜合和系統(tǒng)地解決工程實(shí)際問(wèn)題?！笆晃濉逼陂g，工程與材料科學(xué)部將繼續(xù)加強(qiáng)學(xué)科交叉研究領(lǐng)域的探索，鼓勵(lì)學(xué)術(shù)創(chuàng)新特別是具有原創(chuàng)性的學(xué)術(shù)創(chuàng)新，重視應(yīng)用基礎(chǔ)研究，特別是具有我國(guó)特色的、對(duì)促進(jìn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和提高我國(guó)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有重大意義的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。 

    “碳研究是個(gè)重要的領(lǐng)域，2005年黃伯云花20年時(shí)間研制出來(lái)的高性能碳/碳復(fù)合材料飛機(jī)剎車(chē)片，結(jié)束了國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)連續(xù)六年的空缺。碳纖維是其中一個(gè)重要方面。因?yàn)槠鋺?yīng)用涉及一些高新技術(shù)和國(guó)防領(lǐng)域，對(duì)強(qiáng)度較高、各種性能較好的高標(biāo)號(hào)碳纖維材料，掌握其技術(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家一直對(duì)我們實(shí)行嚴(yán)格禁運(yùn)，我們也主要靠自己的力量進(jìn)行研究。國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部都支持過(guò)一些項(xiàng)目?，F(xiàn)在主要從事這方面研究的中科院化學(xué)所、北京化工大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中科院山西煤化所等都得到過(guò)基金支持，在低標(biāo)號(hào)碳纖維研究上取得了不小成績(jī)?！标惪诵抡f(shuō)，“因?yàn)橐恢睕](méi)有在高標(biāo)號(hào)碳纖維研究上取得突破性進(jìn)展，現(xiàn)在很多人又把目光瞄準(zhǔn)了研究的更前端——在高分子材料方面，我們希望能把基礎(chǔ)研究做得更扎實(shí)些，弄清基本問(wèn)題，謀求更大突破。”