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国产碳纤维的前世今生
时间:2021年04月29日 来源: 碳纤维研习社  作者:佚名 浏览次数:

复合材料预浸料-热压罐成型工艺培训班

中国碳纤维 谨以此篇献给长期屁股蹭着冷板凳的科技工作者

1、简介

碳纤维:carbon fibre 顾名思义,它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比,杨氏模量是其3 倍多;它与凯芙拉纤维(KF-49)相比,不仅杨氏模量是其2倍左右,而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH 溶液中,时间已过去20多年,它至今仍保持纤维形态。

碳纤维是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比钢高。材料的比强度愈高,则构件自重愈小,比模量愈高,则构件的刚度愈大,从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景,综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能,不少人预料,人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维 。其中含碳量高于99%的称石墨纤维。碳纤维的轴向强度和模量高,无蠕变,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小,耐腐蚀性好,纤维的密度低,X射线透过性好。但其耐冲击性较差,容易损伤,在强酸作用下发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。

碳纤维可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得;按状态分为长丝、短纤维和短切纤维;按力学性能分为通用型和高性能型 。通用型碳纤维强度为1000兆帕(MPa)、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000MPa、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。强度大于4000MPa的又称为超高强型;模量大于450GPa的称为超高模型。随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高伸型碳纤维,其延伸率大于2%。用量最大的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。碳纤维除用作绝热保温材料外,一般不单独使用,多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中,构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。

碳纤维是军民两用新材料,属于技术密集型和政治敏感的关键材料。以前,以美国为首的巴黎统筹委员会(COCOM), 对当时的社会主义国家实行禁运封锁政策,1994年3月,COCOM虽然已解散,但禁运封锁的阴影仍笼罩在上空,先进的碳纤维技术仍引不进来,特别是高性能PAN基原丝技术,即使我国进入WTO,形势也不会发生大的变化。因此,除了国人继续自力更生发展碳纤维工业外,别无其它选择。因此,国外尤其是碳纤维生产技术领先的日韩等国对中国的碳纤维材料及制品的出口一直保持相当谨慎的态度,只有为数很少的中国企业能够与其建立合作关系,拥有其产品的进口渠道。

2、正题

其实我也不知道为什么什么时候为什么要从70年代就开始研制碳纤维,但凡事总要有个起点,我们的起点是什么呢?

先给大家看一个10年的时间轴

☆ 1963年7月,“717”工程破土兴建,12月决定在吉化公司建设我国第一座“201”工厂——吉林化学工业公司试验工厂。

☆ 1964年10月,吉林化学工业公司试验工厂成立。

☆ 1965年6月,吉化试验工厂更名为化学工业部吉林试剂厂。

☆ 1965年11月,生产出第一批合格的“201”产品。

☆ 1970年3月,吉林试剂厂并入吉林化学工业公司化肥厂,成为一个独立的车间厂。

☆ 1972 年7月,吉林试剂厂同吉林化学工业公司化肥厂分开,成立了吉林化学 工业公司试剂厂,隶属化工部二局和吉化公司。

试剂厂女工程师桂纯等人,经过勤奋实践,生产出国家航天事业急需的“201”、“741”高端产品,为吉化人完成了登天梦想。

上世纪60年代中期,桂纯来到江城吉林,参加国家第一个“201”产品工业化生产装置建设。没过3个月,她带着丰富的经验和实验资料,在当时的吉化试剂厂安营扎寨。身为主管技术工作的车间主任,桂纯吃住在车间,和大家一起扎进几十项大型技术改造,半个月拿出合格“201”产品,国务院发来贺电。

进入70年代,国家又下达艰巨任务:生产“741”产品。这是我国航天工业急需的一种尖端产品,需要将生产“201”产品的装置进行改造。改造过程中,桂纯和大家闯过厂房、设备、专用管线、绝热处理、触媒研制等一道道难关,按时生产出“741”,受到国防部、公安部、化工部等5个部委通报嘉奖。

“201”、“741”两种产品填补了我国化工生产空白。每当有火箭上天的消息传来,桂纯和伙伴们特别自豪,欢欣鼓舞。

另外一篇报道:

碳纤维是丙烯腈下游的深加工产品,具有比重小、强度高、导电好、耐高温、耐腐蚀等性能,优异的性能决定了碳纤维具有广阔的应用前景。

碳纤维广泛的应用领域决定了它的重要性。长期以来,国外一直对碳纤维产品和技术装备实施全面封锁。

打破国外的技术封锁,开发出拥有自主知识产权的碳纤维生产技术,成为几代吉林石化科研人员的不懈追求。从70年代初期开始,合成树脂厂高级工程师桂纯向碳纤维发起了技术攻关。

在员工的眼中,桂纯只是一位普普通通的技术工作者,普通得就如同她一年四季不离身的工作服和不离脚的“解放鞋”。然而就是这样一位普通平凡的人,却让生命发出了璀璨的光芒。

1975年,国家向吉化试剂厂(现合成树脂厂)下达了一项极为艰巨的科研任务,研制与生产“741”产品,即碳纤维。

项目起步极为艰难,一无技术,二无装备。刚刚从病榻上爬起来的桂纯,身体还没有完全康复,毅然接受了任务。为了尽快熟悉工艺情况,她独自一人到辽阳学习原丝、碳丝生产工艺。由于不能及时赶上车,几次徒步由车站走到工厂。到兰州调查时,她一个人在兰州化纤厂过完了春节。

项目进入研制后,没有试验设备,她就对工厂原来的旧装置进行改造。当时的条件极其艰苦,没有图纸,改造装置所需的工机具严重不足,更让人难以忍受的是在没有降温设施的厂房里,夏天酷热难当。在这里坐一会都是一身汗,更不用说还要对设备进行改造了。桂纯和她的攻关技术小组,在这样的条件下,提前完成了厂房、设备、专用管线的改造工作。

科学有险阻,苦战能过关。

外部条件不足,可以用各种办法来克服。而科学研究,要凭借顽强的毅力、执着的信念、科学的方法和持之以恒的精神才能完成。绝热处理、触媒研制等一道道难关,让桂纯和她的同事们付出了艰苦的努力。数万次的数据演算,上千次的研制试验,几十个寒来暑往,桂纯没休过一个探亲假,常年吃住在试验室里。调度室、晒图室、办公室,甚至车间乒乓球球台、洗澡间的长凳都曾是她临时休息的地方。“莫道浮云终蔽日,严冬过尽绽春蕾”。在桂纯的带领下,科研小组终于按时试制、生产出了合格产品,得到了国家5个部委的通报嘉奖。

这里强调下:其实桂纯并不是一个简单的人物,中国第一代大学生,貌似是清华毕业的,留过苏,深冷专家。报道里那么写只是为了突出表现而已。

741当时也并不是十分合格,勉强够用而已。

桂纯死于2002年,孤老终身,死的时候,一把骨灰脏到了龙潭山上,现在知道埋葬的地点的人不超过3个。

很伟大也很有奉献精神的人,当然,也很落寞。1965年1月16日,桂纯作为“726”工程设计代表来到吉林江北,参加国家第一个“201”产品工业化生产装置的建设。检查、验收,这一切结束后她没有走。没过3个月,她毅然把户口迁到了吉林市,带着自己的经验和试验资料,在吉化试剂厂安营扎寨了。

"201"装置采用的是水电解及化学交换法,在生产中会碰到大量氢、氧气,弄不好会着火、爆炸。由于技术问题和设备本身存在的缺欠,试车过程异常艰难。身为主管技术工作的车间副主任桂纯,整天吃住车间,和大家一块进行了几十项较大的技术改造。“726”的生产工艺过程,需要经过12至18个月的平衡时间,大连油化厂“305”中试也要11个月。

桂纯依据“305”中试的操作数据和经验,合理安排试车进度,尽量减小滞留量。在部分国外设备未到的情况下,果断采取半负荷的化工试车方案,边出料边平衡,仅用4个半月就拿出合格的“201”产品,使“726”工程提前一年半建成投产。国务院专门发来了贺电,感谢为共和国第一座“201”工厂建成投产的建设者们。

为了满足国防事业对“201”的急切需要,国家决定:在试剂厂再建一套不同于“726”生产工艺的“649”工程。于是,桂纯从726车间,来到649车间,担任车间技术副主任。按设计要求,这个车间的装置必须能够承受150公斤压力,可设备只能承受50公斤。怎么办?桂纯查阅了大量的国内外有关资料,发现有资料提供,这种生产装置可以高压下试车。于是,她又制定了一套新的试车方案,为确保安全,又相对地拿出了许多补救措施。经过精心组织,终于试车成功,达到了预期的效果。

成功是艰难的。没多久,设备发出了嘶哑的声音,装置被迫停车。为了查找原因,桂纯穿上全套棉装,钻进摄氏零下七八十度的设备里。人孔打开,一股逼人的冷气从里面喷出,尽管是炎热的夏天,设备里却还是冰的世界。手碰到管线,不是被粘掉一层皮就是会被冰起一串泡。棒小伙子进去几分钟也得赶快出来,可桂纯照样和他们一起钻进设备里。原因找到了,是原料中微量的杂质在低温下同冰霜一起堵塞了管道。查出症状,就要排除,桂纯和同志们一道研制了分离装置,滤掉原料中的杂质,从此管道再也不结疤了。

1974年,由于国家电力紧张,“201”被迫低负荷生产,桂纯望着产量下降的图表,心里很不是滋味,决心闯出一条限电夺高产的新路来。她又扎进资料堆里,常常拼到深夜。图书管理员不得不把钥匙交给她来保管。新思路出来了,即把原来生产过程的正交换,改为反交换。这一年全厂提前完成“201”生产任务。

拿下了“201”这块高地,桂纯又瞄准了一个新的目标——“741”产品的研制与生产。这是1975年国家安排给试剂厂的又一项艰巨的任务。“741”是我国航天事业急需的一种尖端产品。

生产“741”,必须将生产“201”产品的“649”装置进行改造。在改造过程中,桂纯和大家闯过了厂房、设备、专用管线、绝热处理、触媒研制等等一道道难关。开车前,她组织大家精心编写了操作法及开车方案。这年12月进行了试车,一次开车成功,按时生产出“741”产品,为我国航天事业的发展提供了物质保证,受到国防部、公安部、石化部等5个部通报嘉奖。试剂厂生产氢气的电解槽耗电惊人。按年产600万立方米氢气计算,每年就得赔进120万元。

桂纯发现国外技术上有用变压吸附法回收氢气的记载。于是,经上级批准,她又开始了变压吸附装置的试验,并发动大家从废铁堆里找旧管线,为厂节约开支达10多万元。在最紧张的试车阶段,别人干一个班,她干两个、三个班。“你们都有家,我一个人好说。”同志们被劝走了,她一连班就是七天七夜。她困了就找个地方打个盹儿,发现情况就精神抖擞地爬起来。

连日的劳累使她的淋巴结核复发了。头昏、发烧,脖子肿得好粗,她就敷上中药,用纱布缠着坚持干。嗓子哑得说不出话来,她就用笔写,打手势,无论如何也不下战场!奋战,奋战,变压吸附装置终于成功了!

拿出了纯氢产品,每天可为厂节电六七万度,大大降低了生产成本。“201”和“741”两种产品填补了我国化工生产的空白。每当火箭上天的消息传来,桂纯都欢欣鼓舞乐不可支。她实现了人生的真正价值,没有愧对党的培养。桂纯大姐,为了“201”,把青春搭进去了,把婚恋搭进去了,把一生都搭进去了!

准确来说,桂纯是把自己的一生献给了核武器事业,741只是她最后负责的一些东西,算是搞碳纤维的起点

70-80年代

1974年,筹建双氧水工程。双氧水的功用:在不同的情况下可有氧化作用或还原作用。可用氧化剂、漂白剂、消毒剂、脱氯剂,并供火箭燃料、有机或无机过氧化物、泡沫塑料和其他多孔物质等。医用双氧水(3%左右或更低)是很好的消毒剂 。工业用是10%左右用于漂白,作强氧化剂,脱氯剂,燃料等。

实验用做制O?6?0原料。双氧水技术是自己开发的,一般的,和军工稍微带点联系国外都会对其封锁的。小小的双氧水也是被封锁的,开发双氧水技术的是洛阳的黎明化工研究院,又是一个歌星厂,不过比哪个歌星厂有能耐多了。当时的负责人现在都负责火箭等推进剂的李俊贤院士。关于李,这里是他的一手资料吧

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