零下20℃的坚守只为冲破高端碳纤维“天花板”

  老家千里之外的中国科学院山西煤炭化学研究所研究员张寿春此刻还坚守在大同的产业园区，为即将竣工的高端碳纤维项目安排春节前后的工作。

  高端碳纤维材料作为一种高性能新材料，大范围的应用于航空航天、核能等重点产业和领域。该项目是山西省重点支持的“年产200吨T1000级高性能聚丙烯腈基碳纤维示范项目”。

  张寿春告诉《中国科学报》，现在正是该项目的设备调试关键阶段，即将收尾。尽管天气严寒，但园区内的科研人员和施工团队依然坚守岗位，做最后的冲刺。

  自2012年立项以来，历经十几年的研发，该项目在2023年正式迈入施工建设阶段。

  张寿春作为项目的技术负责人，心情激动而复杂。“距离正式投产只有一步之遥”，然而，寒冷的天气让项目进展受阻。

  自入冬以来，大同地区频繁遭遇严寒天气，室外最冷气温骤降至零下20℃以下。在产业园区内，由于暖气尚未接通，厂房内的最低温度为零下16℃。

  张寿春介绍，在低温条件下，施工难度进一步增加，混凝土浇筑和管道焊接工作都需要采取比较特殊措施，不可避免导致了施工效率下降。部分设备在低温度的环境下出现了启动困难、运行不稳定等问题，给单机调试工作带来诸多不便。

  科研人员和施工团队自备锅炉，试图通过临时供暖解决部分设备的调试问题，但仍面临诸多挑战。

  其中，室外的纯化装置是项目的关键设备之一。纯化装置对于管道布置的要求近乎苛刻，每一处细节都可能会影响整一个流程的效果。恰逢寒流过境，零下20℃的低温让呼吸都变得沉重。仅仅10分钟，刺骨的寒意就穿透了科研人员的层层衣物。

  “坡度不对！”科研人员的声音在寒风中显得格外清晰。他们发现，物料管道没有依据管道仪表流程图设置坡度。张寿春说，这样的一个问题看似微小，实则影响重大，如果物料流动不畅，轻则影响项目效率，重则引发设备故障。

  时间紧迫，科研团队争分夺秒，迅速协调了业主方、设计院和施工方进行整改，及时避免了管道施工不合格可能带来的故障风险。

  同时，室内低温也给设备运转带来了许多问题。由于气温过低，设备内的润滑油在低温下凝固，导致部分进口泵阀启动困难，运转时出现卡顿现象。为解决这一问题，科研人员更换了润滑油，并对设备的转动元件进行了预热和保温处理，确保设备能够在低负荷下顺利启动和运行，为项目的正常运行提供了有力保障。

  “项目进展比预期延后了一个月，后面应该能赶上来。”张寿春说，尽管如此，该项目的施工进度依然是近年来同类工程中最快的。

  碳纤维及其复合材料被誉为“新材料之王”，从航空航天到体育用品，几乎无处不在。张寿春举例说：“每架C919飞机大约需要用4到5吨高端碳纤维材料；而一枚10兆瓦大型风力发电机叶片需要用7吨左右的碳纤维材料。”

  高端碳纤维及复合材料被列为关键战略材料，其技术突破与产业化进程，与我国战略性新兴起的产业的发展紧密相连。

  张寿春告诉《中国科学报》，我国碳纤维研发工作起步于1976年，但前期发展极为缓慢。进入21世纪以来，在国家科技与产业计划的支持下，我国高性能碳纤维生产的基本工艺技术、装备技术及应用等取得了较大进展，但碳纤维行业有关技术水平总体上仍然落后于美、日等发达国家，关键领域碳纤维尚未实现单线数百吨级的稳定化生产。

  “突破高强碳纤维低成本规模化生产技术、高强中模碳纤维及高强高模碳纤维稳定化生产技术，满足高端装备用碳纤维及其复合材料全面自主保障需求，是我国新材料产业未来10年重点支持和发展的方向。”张寿春说，正是出于这种前瞻性考虑，中国科学院山西煤炭化学研究所在2012年自筹资金启动了相关项目。

  经过十几年的技术积累，通过对核心工艺的深入研究和优化，张寿春和同事终于突破了关键技术，使得碳纤维的强度、模量和韧性等性能指标达到了国际领先水平，并提高了生产的全部过程的碳化效率和质量稳定性。

  同时，山西省作为我国重要的能源基地，始终致力于产业体系调整和转型升级。2022年，大同市政府、华阳新材料科技集团、中国科学院山西煤炭化学研究所立足新发展阶段，共同签订了碳基新材料项目合作协议，在大同市建设高性能碳纤维生产基地，落地T1000碳纤维产业化，推进M40X碳纤维、复合材料等的应用研发与产业化。

  “一期项目完成后，将形成200吨/年的T1000级高性能聚丙烯腈基碳纤维生产能力，为航空航天、民用高技术领域提供国产化的关键碳纤维材料支撑。”张寿春说。

  “作为技术方，我们组建了一个约50人的高素质、富有经验的技术团队，包括专业的工艺技术人员、设备技术人员和一线生产操作人员，全程跟踪和参与项目建设。”张寿春是这个技术团队的负责人。

  张寿春表示，为保障呕心沥血完成的科研成果真正变成先进生产力，在项目建设过程中，科研人员始终坚守一线，与实施工程人员紧密合作，承担技术指导、方案优化和质量控制的重要职责。

  冰冷的厂房内外，他们共同勾勒出一幅“如火如荼”的繁忙景象。“通过紧密合作，科研人员和实施工程人员形成了高效的工作团队，共同克服了施工全套工艺流程中的各种困难，确保了项目顺利推进，打造了高效、安全、优质的精品工程。”张寿春说。

  这是一场与时间赛跑的“破局”。“我国高端装备等产业的迅速发展，急需高端碳纤维产品及应用技术，实现高端碳纤维的国产化、低成本化制造迫在眉睫。”张寿春说，成功投产后，这里将成为国内高端碳纤维材料的重要生产基地，并有望为国家战略性新兴起的产业发展提供国产关键原材料支撑，为推动区域经济战略转型和我国新材料产业高质量发展作出重要贡献。