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山大碳纤维中心:历两代人心血,助推国产碳纤维快速应用

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发表于 2020-4-20 23:20:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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山东大学千佛山校区位于千佛山风景名胜区的北部,站在连接南北两院的天桥上,可以看到熙熙攘攘的车辆,也能尽览景区的四季。

而这个校区的底色和气质里不止有秀美,还充满了科技风。我国碳纤维三大重要研究机构之一——山东大学碳纤维工程技术研究中心就隐于其中。

1992年,留英博士蔡华甦教授回国后,便毅然在山东工业大学开始着手筹建山东省碳纤维工程技术研究中心。当时,没有谁能想到那个捉襟见肘、只有六七个人员的小办公室,会在碳纤维国产化的历史进程中,留下浓墨重彩的一笔。

近30年过去了,当年由蔡华甦老教授一手创建的山大碳纤维中心已经传到了第二代管理人朱波教授手上,山大碳纤维中心也发展成国内三大知名碳纤维研究中心之一,且在相当程度上引领了我国碳纤维产业发展的风向。

荜路蓝缕,两代人丹心铸“丝”

近百年来,有一群人,放弃了国外优厚的待遇,毅然回国将身心投入到未知的科学领域里,用智慧和汗水不断拓展人类知识的边界,推进中华文明的发展进程。

钱学森、邓稼先、华罗庚、师昌绪……这些被写入课本的闪亮名字,连同爱国、创新、奉献、育人等关键词一起,融入一代又一代学子的血脉中,构筑起他们成长路上的精神底色。

蔡华甦和朱波,如同他们的前辈一样,几十年来,书写了碳纤维国产化发展史上一段令人动容的故事。

1988年,时年50岁的蔡华甦教授正在山东工业大学当教师,但不服老的他发奋自学英语,通过相关考试后,作为一名访问学者到英国皇家空军进行断裂力学研究。在为期一年的交流学习中,他深切感受到国内外的差距,也正是在这时,他接触到碳纤维。

年龄并没有成为蔡华甦向科技高峰迈进的阻碍。1989年,51岁的蔡华甦放弃回国,并开始攻读博士学位。1992年,这位两鬓已有银丝的54岁中国老讲师在英国以高水平取得博士学位,修正了一个断裂力学理论,并获得英国女皇嘉奖。

他拒绝了来自英国的高薪挽留,毅然回国,凭着满腔的爱国情怀,在“老东家”山东工业大学徒手创建山大碳纤维中心。

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山东大学碳纤维中心多年开发的系列碳纤维复合材料产品

当时,国内还未认识到碳纤维对国家战略发展的意义,碳纤维研发还停留在60年代的技术水平。而国外早已将碳纤维运用到军机、导弹等大量军工项目中。

碳纤维制备技术被国外牢牢把握,严格限制对外出口,没有样本,没有任何支持。这就是蔡华甦教授当时面临的情况。拿着1万块钱科研启动费,蔡华甦在一个十来平米的小房间里,带着六七个人就这样开始了碳纤维的研究。

此时,热能工程专业毕业的朱波博士刚好被分配到山东工业大学进行任教。

由于碳纤维工程中心在研究碳纤维时需要用到加热设备,1994年,朱波博士就这样自然而然地参与到碳纤维项目中来。“当时我就这样上了‘贼船’,一直到现在。”朱波笑称道。

“在1992-2000年这8年里,是山大碳纤维中心发展最艰难的时候,先后有三波研究人员陆续离去。”朱波表示,为寻找到更适合山大碳纤维中心发展的路径,他在蔡华甦教授的属意下远渡日本,以期能从日本这个碳纤维强国学到一些精髓。

2000年,山东工业大学正处于被并入山东大学的历史时刻,而蔡华甦教授也面临即将退休却后继无人的境遇。

“当时研究经费只能勉强维持半年,年轻人都不愿意接手这个摊子,眼看中心就快关门了。”形势之下,蔡华甦教授盯上了女婿朱波。

“在日本学习一年,连碳纤维一根丝都没见到过,我当时是在岳父的期盼中从日本回来的。”就这样,对留学还略存遗憾的朱波接过蔡华甦教授手中的重任。

“因技术转移和科研经费补充需要,实验室唯一的一条碳化线也被转让出去了,实验室已经没有打仗的武器了。”没有资金支持、科研难度加大、人才凋零.......面对这些困难,朱波开始思考如何把山大碳纤维中心运营起来。“当时我就下定决心,中心要运营下去一定不能依赖国家的经费支持。”

为解决资金问题,刚回国的朱波就拉来一家煤矿企业,就柔性连续碳纤维抽油杆科研成果转让进行谈判,并最终获得100万元的技术转让费。

“巨款”到手的第一时间,朱波就宣布要将这笔钱用于给山大碳纤维中心添置科研设备。“预留20万元用于科研人员的工资和日常开支,其余的80万我都拿去自主开发碳化装备了。”朱波对自己谈成的第一个“大单”印象深刻。

为筹集资金,朱波还发动中心其他研究员想方设法与企业合作。“只要我们能做的,非碳纤维的相关项目也接,有次给某个企业开发一款盲人打字机打字片,只有3000块的费用,我们也接了。”

另一方面,缺乏专业人才也是山大碳纤维中心当时的困境之一。在做碳纤维开发和产业化项目时,中心有时只能外聘技术人员做技术支持。

20年转瞬而过,但对山大碳纤维中心来说,这是一段漫长的征程,也是一个不断积累的过程。

如今,山大碳纤维中心已发展成拥有80余位专业人才的国家级研究中心。在技术方面,山大碳纤维中心完成了原丝、碳化、碳纤维制品等多方面的科研积累,建成了国内领先的高性能碳纤维及其原丝实验研究平台,研制出了性能相当于T1000以上水平的碳纤维及其原丝。

十年磨一剑,用产品赢得行业尊重

2001年,碳纤维被列入国家重点发展计划。2006年,我国进入“碳纤报国”热潮的鼎盛时期,国内一批批碳纤维企业、碳纤维企业家如雨后春笋般站了起来。

此时的山大碳纤维中心已经度过了最艰难的时期,并抓住我国碳纤维企业高速发展这一历史机遇,将其积累了近十年的科研成果陆续转化。

早在2004年,美国一家公司通过远东电缆在美国推出碳纤维复合芯导线时,朱波他们就注意到这一碳纤维新型高端产品应用。

2006年,当河北硅谷化工有限公司提出想就碳纤维生产与山大碳纤维中心合作时,朱波建议道,“做碳纤维必须要配套做碳纤维制品,明确产品的下游应用领域,你们才能走得更远。”

另一方面,从市场前景来看,随着我国工业的迅猛发展,电力增容扩容剧增,每年新增导线需求达80-100万千米,因此电网建设对新型导线需求非常迫切。

基于此,双方一拍即合,2007年,朱波率队在河北硅谷全面启动千吨级两步法干喷湿纺制备高性能碳纤维的同时,协同开展了碳纤维复合芯导线项目的研发。2009年1月8日,山大碳纤维中心研发的碳芯导线在北京500KV超高压线路挂网,开始批量投入使用。

与此同时,山大碳纤维中心还参与到碳芯导线国家标准的制定中。

“我们的目的就是开发属于自己国家的技术,在研发过程中我们申请了不少专利,就是为了突破那家美国公司已有技术的制约,形成系列化自主知识产权体系,目前我们都做到了。”据朱波介绍,山大碳纤维中心研发的碳芯导线在部分性能指标方面已超越该美国公司的产品。

此后,江苏易成电力、四川众能、河南科信电缆等6家国内知名企业先后就碳芯导线与山大碳纤维中心展开合作。通过国家电网、南方电网等电网公司的大力推广,应用山大碳纤维中心技术制备的碳芯导线已触及海内外多个国家,目前累计挂网线路已超过3万公里。

据报道,国产碳芯导线量产后,给那家美国公司带来严重打击,导线的国际价格由16万元/公里跌到9万元/公里。随着技术的不断优化及应用市场的扩大,目前国产碳芯导线价格已经降至5万元/公里,为该产品的大面积推广应用奠定了经济基础。

自此,国内开始重新审视这个曾经默默无闻的碳纤维中心。“原来山大碳纤维中心还能做出碳纤维产业。”

山大碳纤维中心的成就不限于此,在同期,他们还进行了包括军用防弹、油田装备、深海无人潜艇、电力、空气净化防护等各领域的多项碳纤维研发项目。

2012年初,公安部急需一批有防弹功能的材料,在得知朱波他们研发的碳纤维复合材料具备优良的防弹性能后,便上门咨询。2013年,山大碳纤维中心制备出可用于防弹装甲车、防弹头盔等系列防弹装备的碳纤维混杂材料,并就此与公安部正式开展合作。

这次与公安系统的合作,再次让业界重新定位了山大碳纤维中心。“原来他们不仅能做产业,还能满足国家军工需求。”

碳纤维抽油杆的开发,是朱波团队二十年磨一剑的又一重大突破。

项目于1999年正式立项,2000年正式与企业签约。在其后的20年间,朱波他们长途跋涉,远赴胜利油田、中原油田等大型油田做了大量实验工作;后又配合中石油在克拉玛依油田进行长达8年的现场验证和进一步的完善和提升。

2019年3月,利用山大碳纤维中心设计制备的碳纤维抽油杆正式通过了中石油的验证,获得行业高度认可,并以此建立了碳纤维抽油杆的体系标准。

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山大碳纤维中心技术合作单位

“在材料界要干成一件事非常不容易,一定要踏踏实实、扎扎实实地从基础开始做,要有持之以恒的决心。”回忆起山大碳纤维中心近20年的发展之路,朱波发出由衷的感慨。

一片冰心,科研单位不能做成赚钱单位

这一路走来,山大碳纤维中心有过很多次高光时刻。目前,山大碳纤维中心已和60余家企业建立了科技成果合作关系,获得的专利更是枚不胜举。

在合作企业中,有碳芯导线年产达3万公里的大公司,也有获国家军工单位数亿订单的大企业。这些行业新闻经常出现在朱波团队的眼前,但朱波丝毫不为所动,从没想过让技术团队去创业。

“科研单位不能做成赚钱单位,而应该成为创新的主体,搞科研就得清清淡淡,解决科研中或生产过程中的关键问题,才是我们的职责和使命。”朱波表示,如何产业化如何赚钱,那是企业要考虑的问题,山大碳纤维中心不会介入企业的经营,更不会去分企业的钱,这是他们的基本原则。

据朱波介绍,山大碳纤维中心的技术转让费基本不高,截至目前没有一个超过200万的项目,且这笔转让费基本也都被应用于签约企业的技术升级当中。

“我们和企业的合作模式不是买断式的,而是把科研成果的使用权授予合作单位,因为技术要不断更新,如果一旦被买断,而技术又不成熟,那将会出现被企业弃用,而我们研发团队又无法继续深入研究的局面。”

朱波表示,山大碳纤维中心目前正致力于搭建行业合作平台,进一步推动国产碳纤维产业化发展。

从海陆空三方面,山大碳纤维中心因地制宜地搭建了多个合作平台。“在青岛,我们与当地政府合作对海洋用碳纤维复合材料进行综合开发;在德州齐河,我们致力于新能源汽车和高铁用热塑性碳纤维材料研发;在威海,主要是加强航天航空碳纤维及复合材料的研究。”

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山东大学碳纤维中心及其技术支持企业

看着山大碳纤维中心一派欣欣向荣的景象,回望20年前从蔡华甦教授手上接过重任的情景,朱波感慨万千。有欣喜,也有遗憾。

尽管在2000年就办理了退休手续,但蔡华甦一直没离开过工作岗位。每天坚持到中心去指导研究生、通宵做实验、盯实验数据。在心梗发作的前一天,他还在实验室正常工作。

2013年,因病情突发,被紧急送往医院的蔡华甦教授当夜就被送入ICU,以致对自己一手创办的山大碳纤维中心最后的交代都没来得及留下。

“事先没有任何交代,他认为自己的身体一直很好,还可以干很多年,老先生一直都不服老。”回忆起蔡华甦教授生前的工作状态,朱波语气里满是遗憾。

但朱波更大遗憾,源于他当年对蔡老立下的“赶超国外碳纤维”的目标尚未完成。

“概括来说,中国碳纤维的发展在2000年前是‘悲壮与无奈’,在2000-2010年是‘激情与拼搏’,目前看来是‘有点欣慰,但长路漫漫’,我们中心的发展历程也是如此。”

一直在探索未知领域,直到生命戛然而止的那一天,正是蔡华甦教授这份坚持与对碳纤维事业不眠不休的热爱才成就了山大碳纤维中心。也正是朱波接棒薪火后的坚守与拼搏,崛起中的山大碳纤维中心才不至夭折,并在之后迅猛突进,推动和引领国产碳纤维的发展。

未来,在山大碳纤维中心,这样的故事还将一直继续。中国碳纤维的故事,也将继续写在中国的大地上,愈发恢弘壮丽,老一辈科学家的奋斗精神也将被被永久铭记和传承!

【人物介绍】
朱波,山东大学教授,博士生导师,山东大学高分子研究所所长,山东省碳纤维工程技术研究中心副主任,山东省有突出贡献的中青年专家。先后主持完成“863”课题3项、科技部重点研发项目海洋装备专项1项,主持国家自然科学基金1项、工信部智能制造专项1项、山东省重点研发计划、攻关计划等4项,主持地方政府平台建设项目2项,主持完成企业合作课题50余项;作为核心人员参与国家“863”、“973”、国际合作、重大军工等8项。出版专著4部,发表论文170余篇,授权专利180余项。首位获省部级一等奖3项、二等奖、三等奖5项。朱波教授自主研发的多项产品和技术均实现了批量化生产,提高了相关技术领域的产业化水平。

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