“黑色黄金”碳纤维 助火箭导弹上天

有一种纤维，只有头发丝的十分之一细，纤维束强度却是钢的4-5倍。它不仅能助力导弹成功飞天，而且用它来造大飞机、汽车、轮船，能大幅减重提速，用它来做自行车、高尔夫球棒、钩鱼竿，又轻又耐用……这种材料就是被誉为“黑色黄金”的碳纤维。日前，记者走进东华大学材料科学与工程学院潘鼎教授的实验室，领略了碳纤维的神奇之处。实验室里，潘教授剪出一束黑色的碳纤维原丝，拴在200克的砝码上，挂在支架上，然后用2000℃高温的喷火枪对准碳纤维，不仅没有被烧断，而且碳纤维摸上去也不烫，外观一点变化都没有。“制备碳纤维的过程，简单讲就是‘原丝+碳化’。”潘鼎教授告诉记者。粘胶丝、聚丙烯腈或沥青等有机母体纤维，经过1000℃～3000℃高温的惰性气体处理，结果是除碳以外的所有元素都予以去除。潘鼎教授回忆，上世纪80年代，我国头号战略武器面临最后两项久攻不克的遗留难题。其中一个“拦路虎”就是航天级高纯粘胶基碳纤维。作为洲际导弹弹头防热层关键材料，航天级高纯粘胶基碳纤维的性能、品质直接关系到飞行的质量及成败。因其原料要求极高、制备技术极难，当时只有美、俄两个超级大国拥有。“难关攻不下，导弹上不了天！”潘鼎教授领衔的碳纤维项目组临危受命，采用棉浆基纤维素为原料，先后攻克了“原丝、工艺、强度、排废”等难关，苦战4年，在碳纤维生产的基础理论、工艺技术和制备等方面获得了突破，成功研制了航天级高纯粘胶基碳纤维，让我国由此成为世界上第三个掌握航天级高纯粘胶基碳纤维研制技术的国家。为了新材料产业“换代升级”，科学家又投入了聚丙烯腈基碳纤维的持续攻关。和粘胶基碳纤维相比，聚丙烯腈基碳纤维也用于国防军工，但其涉及的民用领域更广泛，不仅飞机、汽车等交通工具可用，建材、医疗器械、体育用品等方面也大有可为。比如飞机，以前多用的是铝合金耗材，有疲劳极限，换做聚丙烯腈基碳纤维材质，不仅机身更轻，飞得更快，更重要的是，强度得以加强，断裂几率大为降低，安全系数也得到很大提高；再比如，沿海城市的空气里盐多，高架桥建造中也用碳纤维，增强了耐腐蚀性；现在已经飞入寻常百姓家的超轻自行车、羽毛球拍也是由碳纤维材料做成的。预计到2015年，国内碳纤维产能需求将达1.2万吨。因此，碳纤维研究中既要注重基础研究，又要与企业协同创新，实现技术与工艺的创新，“就是既要弄清楚原理，知道‘为什么’，又要搞明白方法，晓得‘怎么做’、‘怎么产业化’”。为此，东华大学与国内最大的民用碳纤维生产企业成立了东华大学—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等协同创新平台，以提升企业的研发实力。（中国纺织报）  责任编辑/刘乔帆