国家自然科学基金大力支持碳纤维基础研究

夯实基础研究 谋求技术突破 

    12月18日凌晨，总重达533吨、长79米、高5.2米的“巨无霸”燃气机一路颠簸，安全抵达北京太阳宫燃气热电冷联供工程的工地。北京太阳宫燃气热电冷联供工程是2008年奥运行动规划项目，是奥运场馆配套设施，将替代供热区域内原有的多座燃煤采暖锅炉房，减少污染排放。据说，这个“大家伙”是有史以来进入北京四环以内最重的设备。为保证这一设备安全抵京，路政部门对多处道路和桥梁采用多种技术手段进行加固，其中包括最新的粘贴碳纤维膜技术。 

    “1988年1月，中国科学院化学研究所孙慕瑾研究员得到国家自然科学基金支持，开始‘低温等离子体改性碳纤维表面机理研究’。自那时起，国家自然科学基金委已经持续在这一领域支持了二三十项直接涉及碳纤维基础研究的项目。为提高碳纤维复合材料的品质，现在更多的研究者将目光转向了基础研究。”国家自然科学基金委工程材料学部无机非金属材料科学处处长陈克新说。 

    比钢板强度大十几倍的“布” 

    北京市路政局公路管理处工作人员介绍说，本次北京太阳宫燃机运输路线途经京塘旧路榆林庄桥、土桥。由于使用年代较久，这两座桥梁的安全系数难以达到要求。为保障运输安全，经过专家组论证，对这两座桥梁分别采取了加固措施，采用贴碳纤维“布”（膜）的方法加固的是榆林庄桥。在通州分局路政大队的监管下，燃气机到达的前一天已完成对榆林庄桥15片梁的加固工程。 

    “碳纤维材料有很多优异的特性，随着人们对碳纤维认识的深入，碳纤维的应用领域与日俱增，广泛应用在航空航天、文体用品、纺织机械、医疗器械、生物工程、建筑材料、化工机械、运输车辆等方面。此外，碳纤维复合材料还在开发不用润滑油的轴承、齿轮、轴瓦、转轴、提升轮等运动频繁、负荷大的零件方面有很好的前景。”北京化工大学教授赵东林说。 

    据介绍，碳纤维的主要性能是抗拉强度高、密度小、比强度高，碳纤维的密度是钢的1/4、是铝合金的1/2，其比强度（材料的抗拉强度与材料密度之比）比钢大16倍、比铝合金大12倍。此外，碳纤维还有耐超高温、耐低温、耐酸腐蚀、耐骤冷骤热等特性，即使从3000℃ 的高温突然降到室温也不会炸裂，其耐腐蚀性能也超过黄金和铂金。 

    随着我们对碳纤维复合材料技术的掌握，碳纤维材料更多地应用到日常生活中。中国体育用品市场上，越来越多地使用碳纤维复合材料件制造高性能器材，如高尔夫球杆、网球拍等，其他还包括滑雪板、滑雪车、箭杆、钓鱼竿、自行车车架、船桨、公路赛车。在土木建筑领域，利用碳纤维复合材料棒材替代圆钢，利用碳纤维片材加固或修复桥梁及建筑物，及利用碳纤维增强混凝土等都有很大的发展。目前我国应用于土木建筑领域有复合材料棒材、纤维增强胶接层板、碳纤维增强混凝土、碳纤维复合材料板、碳纤维单向布等。 

    “纤维膜有很多优异的材料特性，这种和‘布’类似的薄膜强度是钢板的十几倍，将它贴在桥梁上，可以使桥梁抗压力增强，而且能将压力均匀分布到各受力点。与其他方法相比，这种贴膜法施工相对简单，加固效果明显，被广泛应用于大型建筑和桥梁的加固上。”冶金部建筑研究总院副院长、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心常务副主任岳清瑞说。 

    大量旧工程迫切需要加固 

    1959年，日本人Shindo A首先发明了用聚丙烯腈(PAN)纤维制造碳纤维，如今碳纤维已发展成为独立完整的新型工业体系，并被喻为21世纪的“黑色革命”。1960年，长春应用化学研究所已着手于PAN基碳纤维的研究，上个世纪70年代初已完成连续化中试装置。其后，上海合成纤维研究所、中国科学院山西煤化所等单位也开展研制工作，并于80年代中期通过了中试，进入产业化试生产阶段。“我国碳纤维发展从20世纪六七十年代开始，经过几十年的发展，从无到有，从研制到生产取得了一定的成绩，但总的来说，国内碳纤维的研制与生产水平还较低。”赵东林说，“近些年，我国加大了对碳纤维研究的支持力度，碳纤维复合金属、陶瓷、水泥等多项研究都在进行。碳纤维研究也成为一个研究热点，我国国家工程技术中心也设在化工大学。” 

    赵东林介绍说，碳纤维技术在土木工程方面的应用，只是碳纤维研究的一个方面。通常在土木工程上主要有两种应用形式。一是将碳纤维复合材料应用在新建工程当中，在施工时采用碳纤维复合钢材、水泥等材料；二是对旧工程加固，采用贴碳纤维膜、涂碳纤维水泥等方式整修、加固旧工程。目前在工程上主要是旧建筑的加固，在新建工程应用上还是研究得多，应用得少。 

    在开始碳纤维研究较早的日本，以前有过使用碳纤维复合材料和不使用碳纤维复合材料工程的对比。科学家发现已使用碳纤维复合材料的桥梁和建筑，几十年后没有太明显的变化。而没有加入碳纤维复合材料的工程就损坏得比较快。新中国成立初期，国家百业待兴，人民建设热情高涨，曾建设了一大批为人民生产生活提供必备基础和方便的水库、隧道、桥梁和一些大型标志性建筑。因为当时的技术条件所限，很多工程在经历四五十年的风雨后已不堪重负，采用新型便捷的加固方法显得十分迫切。 

    在土木工程中应用碳纤维材料方面，岳清瑞曾进行过较早的探索。因为当时“国内碳纤维市场几乎是一片空白”，岳清瑞决定先扎扎实实搞碳纤维的技术研究。他一面着力提高改善碳纤维的性能，一面着手建立市场规范。在做好国家自然科学基金重点项目“高性能纤维增强复合材料在土木工程中应用的基础研究”、国家科技部“九五”攻关项目“碳纤维材料加固修补混凝土结构试验研究开发与应用示范”、科研院所技术开发研究专项基金项目“纤维增强复合材料型材及其关键应用技术研究”、“863”项目“高性能低成本复合材料在现代土木工程中应用的关键技术与材料研究开发”等研究的基础上，岳清瑞主持编制了国家标准《高性能纤维复合材料应用技术规范》、建设部产品标准《加固修复混凝土用碳纤维片材》、《加固修复混凝土用黏结树脂材料》、《纤维增强复合材料筋》、《结构加固用玻璃纤维布》等一系列相关的标准。在应用碳纤维膜加固大型建筑方面，岳清瑞负责会诊、修整了很多项大工程，像天安门城楼、军事博物馆、人民大会堂、民族文化宫等解放初期兴建的十大建筑中，他主持加固过七个。 

    “今天的基础研究，就是明天的应用技术” 

    今年5月25日，在国家自然科学基金委为建委20周年而举办的“21世纪科学前沿与中国的机遇”高层论坛上，李政道先生在阐释基础研究与应用技术的关系时曾说，“今天的基础研究，就是明天的应用技术。” 

    国家自然科学基金委工程与材料科学部的资助领域学科跨度大，应用性强。创新多体现在学科交叉和多种技术的综合集成应用，既要在单元技术上深入研究和形成突破，又要综合和系统地解决工程实际问题。“十一五”期间，工程与材料科学部将继续加强学科交叉研究领域的探索，鼓励学术创新特别是具有原创性的学术创新，重视应用基础研究，特别是具有我国特色的、对促进我国产业发展和提高我国国际竞争力有重大意义的基础研究和应用基础研究。 

    “碳研究是个重要的领域，2005年黄伯云花20年时间研制出来的高性能碳/碳复合材料飞机刹车片，结束了国家技术发明一等奖连续六年的空缺。碳纤维是其中一个重要方面。因为其应用涉及一些高新技术和国防领域，对强度较高、各种性能较好的高标号碳纤维材料，掌握其技术的发达国家一直对我们实行严格禁运，我们也主要靠自己的力量进行研究。国家自然科学基金委、科技部都支持过一些项目。现在主要从事这方面研究的中科院化学所、北京化工大学、国防科技大学、中科院山西煤化所等都得到过基金支持，在低标号碳纤维研究上取得了不小成绩。”陈克新说，“因为一直没有在高标号碳纤维研究上取得突破性进展，现在很多人又把目光瞄准了研究的更前端——在高分子材料方面，我们希望能把基础研究做得更扎实些，弄清基本问题，谋求更大突破。”