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上海石化与复旦大学协同创新开发高性能碳纤维

碳纤维，也被称为“黑黄金”。它是未来材料领域“皇冠上的明珠”，却一直是国内企业和研究单位解不开的心结，耗时多年，徘徊不前，焦虑与无奈并存，市场一直被国外企业垄断。

可谁都不曾料到，从2008年开始，在复旦大学以杨玉良院士为首的高分子科研小组的支持下，中国石化上海石油化工股份有限公司短短四年，就完成了碳纤维全新的工艺研发，第一次打通了从原丝到碳丝生产的全流程。如今，一条年产3000吨原丝、1500吨碳纤维的生产装置正在紧张建设。

“高校强大的基础理论研究与企业的工程化技术开发无缝对接，让我们不用‘摸黑前行’，不用无谓地模仿与试错，‘在知其所以然’的前提下少走了许多弯路，跨越了鸿沟。”上海石化副总经理张建平表示，到明年年底工程全部投产后，就可打破国外产品的垄断地位。

“21世纪是碳纤维世纪”

在上海石化腈纶部的展示室内，我们目睹了“黑黄金”的真面目。看似普通的一卷卷的黑丝，却不同凡响。它的密度和质量仅为钢的1/3，可抗拉伸调节阀强度是钢的4至9倍。

最新的波音787飞机，高性能碳纤维占其体重的20%，可省油30%以上；用碳纤维替代玻璃钢的海上风力发电设备，叶片直径可达100米，发电效率大幅提升，还能经受海水腐蚀；一辆用碳纤维制造的山地自行车，小朋友都可以把它提起来，可更坚实、牢固……

“有人说，19世纪是钢的世纪，20世纪是塑料的世纪，21世纪是碳纤维的世纪。”上海石化腈纶部总工程师黄翔宇告诉，如今，碳纤维开始在全球各个新型领域得到实验和应用，其中58%用于一般工业，23%用于休闲体育，还有19%则用于航空航天以及军事装备领域。然而，多年来，仅有日本、美国等少数发达国家拥有并掌握碳纤维生产技术，日本的东丽、东邦、三菱人造丝等三大公司，产量占世界的七成。他们从来不在海外设立原丝厂，牢牢掌控碳纤维关键技术，“不漏半点风声”。

过去，国内自主研发“举步维艰”但这绝不单单是柔软的泡沫而已弹簧秤。为啥？因为它的研发步骤繁多，程序极其复杂，其间伴随的化学变化包括脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等等，任何一个环节的细微变化，就可能让转向开关A、B触点与A1、B1触点不能脱开整个研发陷入 “死胡同”。40多年来，不少国内企业前赴后继，一次次试验，可没有人真正走出迷宫，实现产业化。业内直呼，“碳纤维这水有点浑、有点深！”

那么，上海石化携手复旦大学，又是凭借什么“独门绝技”，短短4年找到打开碳纤维大门“钥匙”的呢？

架起理论和工艺的桥梁

“基础不牢，地动山摇”。杨玉良一语破题：碳纤维的生产路线很长，主要分为聚合、纺丝、牵伸、预氧化、环化和碳化等工艺流程。如果按照传统“炒菜式尝咸淡”的试错模式，再过上千年也找不到碳纤维的“真谛”！

成为“黑马”，关键在于采取了不同以往的思路：利用基础理论研究，从“根上”解决了碳纤维研制的原理。杨玉良说，碳纤维的研究最基础的仍是高分子科学，这是复旦大学绝对的强项，碳纤维无论如何变，“万变不离其宗”。

而对上海石化来说，“牵手”复旦大学，最初有点“小意外”。黄翔宇说，在以往与高校的产学研合作中，企业更愿意与离产业化更近的工科院校合作，与复旦这样以基础理论研究见长的高校少有 “交集”。起初，在市经信委等部门的牵线和支持下，双方走到一起。可面对复旦大学教授们的复杂理论模型，上海石化的工程师们有些“丈二和尚摸 1体 就是经济转型发展不着头脑”。“一连串一连串的公式，看得头都大了。”上海石化腈纶部副总工顾文兰虽然是科班出身，也从没见过这么复杂的套路：这“花架子”有用吗？复杂数字运算和理论模型，能与一根根精品碳化细丝联系起来吗？

第一次打消疑虑，让双方互信，始于纺丝流程中的“喷丝难题”。

2、 按 清零 键清零顾文兰说，在中试时的纺丝阶段，第一次喷丝时，1.2万个细小喷头中竟有30%左右没有出丝，即3600个喷丝孔“放空”，这离12K束的标准还差很远。上海石化从以往生产腈纶工艺经验认为，是喷丝头的粗细等机械结构出了问题。于是，不断换喷头，从A系列一直换到K系列，依然如旧。“当时都有点傻了，每天守着喷丝头，希望奇迹能够发生。”那段时间，顾文兰茶不思，饭不想。

而此时，在复旦大学的实验室里，复旦课题组成员则通过物理高分子理论、数学计算、计算机模拟等找到问题的根本：原因不在喷丝头上红柱石，而在内部温度控制上。教授们将几十页的数字、公式化成简单的文字，递给上海石化，大家一下子茅塞顿开。根据复旦提供的参数重新设计设备，上海石化仅仅一个月就将设备零件超要求设计出来，如今出丝率稳定在96%流延膜以上。

“有了方向，路再远也不怕”，顾文兰说，以前总是没方向，按照经验不断试，现在才体会到 “理论的力量”。

于是，信任的力量化成一座桥梁，让一个个“金点子”，在复旦基础理论研究与石化工程工艺设计之间“不断跳跃”：在纺丝凝固阶段，由于原丝内孔洞过多，导致强度变低。复旦课题组从“膜科学”要求孔洞多而均匀的原理，反其道而行之，化解了原丝致密性问题。

在原丝碳化阶段，理论数据直接用在工艺设备上，出现断丝率偏高现象，而上海石化通过以往经验调试，修正了理论与现实存在的偏差。

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