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編者按

美英日的碳纖維產業都經歷過扼腕嘆息的歷史：曾經輝煌的公司，如英國皇家航空研究所（RAE) 、英國考陶爾茲(Courtaulds)、英國勞斯萊斯（Rolls-Royce）、英國RK Carbon、美國聯合碳公司（UCC）、美國塞蘭尼斯Celanese、美國阿莫科（AMOCO），日本大阪工業試驗所,日本碳素,日本旭化成……，他們在碳纖維領域均不復存在了。這真可謂大江東去,，浪淘盡，千古風流人物……。

李世民曾講過：”以史為鏡,可以知興替”。軍事科學院周宏同志的這些文章素材詳實、技術描述專業，是研究碳纖維歷史少有的好文章。同時，他也提出了一個問題：“英國碳纖維技術由盛到衰，教訓值得深思”，近些年，英國政府把碳纖維復合材料列為戰略產業，政府確定將復合材料作為未來幾十年制造業振興的關鍵驅動力（the Government identified composites as a key driver in enabling the UK’s manufacturing base to flourish in the coming decades-The UK Composites Strategy），碳纖維產業的基本缺失（除了SGL在英國的大絲束工廠），他們反省會更加刻骨銘心。

然而，當我們回看中國碳纖維的發展歷史：1962年，中科院長春應化所以李仍元為組長的“聚丙烯腈基碳纖維的研制”課題組（與國際同時起步）；1972年，化工部吉林化工研究院開展硝酸法研制碳纖維PAN原絲，并在年產3噸裝置上取得硝酸一步法制取原絲，供山西燃化所和長春應化所研究碳纖維（稍微晚于東麗）；1975年由當時的國防科委主任張愛萍主持7511會戰；1986年，吉林化學工業公司引進英國RK CARBON的技術；2001年師昌緒先生給江澤民主席寫了 “關于加速開發高性能碳纖維的請示報告”；2002年安徽華皖集團全套引進英國的原絲碳化生產技術，從此開啟中國狂飆猛進的工業建設浪潮；再到今天的“擴產能、求生存、謀發展、待破局的復雜局面”。我們的產業何去何從？確實值得行業同仁深刻反思，……。

美國高性能碳纖維技術早期發展史研究

周宏 軍事科學院

摘要：碳纖維發明于美國，最早用作白熾燈的發光體。目前，其高端應用主要是航空航天器的結構材料。碳纖維從燈泡發光體到航空航天器關鍵材料的應用歷程中，原美國聯合碳化物公司帕爾馬技術中心（Union CarbideCorp.’s Parma Technical Center）的兩位科學家發揮了重要作用；羅格·貝肯（Roger Bacon）1958年發現了“石墨晶須（graphite whiskers）”超高強度現象，1964年又發明了制備高模量人造絲基碳纖維的“熱拉伸（hot-stretching）”技術；倫納德·辛格（Leonard Singer）1970年發明了制備中間相瀝青基碳纖維的技術。這兩位科學家的發現發明，奠定了碳纖維高性能化發展的科學技術基礎。本文較全面地綜述了美國科學家在高性能碳纖維技術發展初期的研究貢獻。

關鍵詞：高性能碳纖維 石墨晶須中間相 瀝青基碳纖維

作者介紹：周宏，男，1963年生，教授級高級工程師，長期致力于對位芳綸基單兵作戰防護裝備技術研究，以及國產高性能纖維技術發展戰略研究。

Author’s Introduction: Zhou Hong, Male, Born inJanuary of 1963 in Beijing; HanNationality; Senior engineer of theQuartermaster Research Institute of PLA; since 1995, he has engaged in researchof soldier protective equipment based on PPTA fiber material; since 2006, he hascommitted to doing strategic research on domestication of high performancefibers; and is a member of the expert group for National Priority S&TProject (National S&T Priority Project for High Performance FiberReinforced Composite Material).

碳纖維誕生在美國，其高性能化的基礎科學研究也發端在那里。今天，美國仍是世界高性能碳纖維的生產和應用強國。研究美國高性能碳纖維技術的發展歷程，對我國碳纖維產業的技術進步和健康發展應有所借鑒。

本文綜述了美國高性能碳纖維技術的早期發展過程及兩位科學家的重要研究貢獻，分析了其經驗。

一、碳纖維誕生在美國，始于白熾燈的發明

碳纖維是作為白熾燈的發光體誕生的。英國化學家、物理學家約瑟夫·威爾森·斯萬爵士（Sir Joseph Wilson Swan，1828–1914）發明了以鉑絲為發光體的白熾燈。為解決鉑絲不耐熱的問題，斯萬使用碳化的細紙條代替鉑絲。由于碳紙條在空氣中很容易燃燒，斯萬通過把燈泡抽成真空基本解決了這一問題。1860年，斯萬發明了一盞以碳紙條為發光體的半真空電燈，也就是白熾燈的原型；但當時真空技術不成熟，所以燈的壽命不長。19世紀70年代末，真空技術已漸成熟，斯萬發明了更實用的白熾燈，并于1878年獲得了專利權。1879年，愛迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931）發明了以碳纖維為發光體的白熾燈。他將富含天然線性聚合物的椴樹內皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形狀，并對其進行高溫烘烤；受熱時，這些由連續葡萄糖單元構成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。1892年，愛迪生發明的“白熾燈泡碳纖維長絲燈絲制造技術（Manufacturing of Filamentsfor Incandescent Electric Lamp）”獲得了美國專利（專利號：470925）（圖1）。可以說，愛迪生發明了最早商業化的碳纖維。

由于原料源于天然纖維，早期的碳纖維幾乎沒有結構強力，使用中很容易碎裂、折斷，即便只是作為白熾燈的發光體，其耐用性也很不理想。1910年左右，鎢絲替代了早期的碳纖維燈絲。盡管如此，很多美國專利證實，愛迪生發明碳纖維后的30多年里，改進碳纖維性能的研究從未停止過。然而，這些努力都未能把碳纖維性能提高到令人滿意的程度。此間，碳纖維研究停滯不前，處于休眠期。

圖1 1892年愛迪生獲得的碳纖維長絲白熾燈絲生產技術專利

二、人造纖維化學纖維的出現，為美國高性能碳纖維技術基礎科學研究提供了前提

人造纖維化學纖維的出現，把碳纖維技術引入了“再發明（reinvented）”時代。20世紀早期，粘膠（1905）和醋酯（1914）等人造纖維的出現，特別是20世紀中期，聚氯乙烯（1931）、聚酰胺（1936）和聚丙烯腈（1950）等化學纖維的商業化，為美國開創高性能碳纖維技術的基礎科學研究提供了前提。

20世紀50年代中期，美國人威廉姆?F?阿博特（WilliamF. Abbott）發明了碳化人造纖維提高碳纖維性能的方法。作為卡本烏爾公司（Carbon Wool Corporation）的委托人，阿博特（Abbott）于1956年3月5日向美國專利局提交了“碳化纖維方法（Method for CarbonizingFibers）”的專利申請（申請號Serials No. 569,391），但此項申請是否獲得專利，不得而知。1959年11月12日，阿博特再次提出了同樣的專利申請（申請號Serials No. 852,530），1962年9月11日，該項申請獲得了美國專利授權（專利號：3053775）。（圖2）

阿博特（Abbott）專利的技術要點是：一種生產固有密度高、拉伸強力好的纖維形態碳材料的加工工藝。當時的碳纖維在很小的機械力作用下，就會斷裂。阿博特的發明稱，其可使碳纖維的碳密度和硬度更高，在機械力作用時保持纖維形態不被破壞；且直徑更細，表面更清潔，柔韌性和彈性更好；纖維直徑及性能可設計和控制；原料必須采用粘膠、銅氨和皂化醋酸等再生纖維素纖維及合成纖維，不能采用天然纖維。

圖2 阿博特獲得的美國專利

申請該專利的卡本烏爾公司（Carbon Wool Corporation）是一家當時位于美國加利福尼亞州奧海鎮（Ojai, California）的公司，成立于1955年，后被稅務部門吊銷。由于信息有限，該公司和阿博特（Abbott）本人的詳細情況尚無從知曉。

阿博特（Abbott）的專利被轉讓給了美國巴尼比-切尼公司（Barnebey-Cheney Company）。1957年，巴尼比-切尼公司開始商業化生產棉基或人造絲基碳纖維復絲，但其只能用來生產繩、墊和絮等產品，用于耐高溫、耐腐蝕等用途；其可獨立用作吸附用活性炭纖維。

自此，高性能碳纖維基礎科學研究和工業化技術研發進入了高峰期（表1）。

表1 美國高性能碳纖維技術早期發展歷程一覽表

三、高性能碳纖維技術的基礎科學研究被確認為“美國歷史上的化學里程碑”

美國歷史上的化學里程碑（National Historic ChemicalLandmark），是美國化學會（American Chemical Society?ACS?）開展的一項發掘整理美國有歷史影響的化學家和化學事件的活動。各區域分支機構申報本地區曾出現的人物和發生過的事件，美國化學會組織專家考核和認定。

位于俄亥俄州帕爾馬市（Parma，Ohio）的葛孚特國際公司（GrafTech International Ltd.）向美國化學會申報了“高性能碳纖維（High Performance CarbonFibers）”項目。該公司的前身是美國聯合碳化物公司（Union CarbideCorp.）。2003年9月17日，美國化學會確認，原美國聯合碳化物公司帕爾馬技術中心（US Union CarbideCorp.’sParma Technical Center）曾開展的高性能碳纖維技術研究，是一項“美國歷史上的化學里程碑”；羅格·貝肯（Roger Bacon）1958年發現了“石墨晶須（graphite whiskers）”及其所具有的超高強現象；倫納德·辛格（Leonard S. Singer）1970年發明了中間相瀝青基碳纖維制備技術；他們開創了碳纖維增強復合材料的科學技術基礎，是該領域的開拓者。（圖3、圖4）

圖3.2003年度“美國歷史上的化學里程碑”授獎儀式上，美國化學學會主席妮娜·麥克里蘭德（Nina McClelland）把發現高性能碳纖維的獎牌授予葛孚特國際公司研究發展部主任萊昂內爾·巴蒂（Lionel Batty）

圖4.美國化學會授予高性能碳纖維研究“美國歷史上的化學里程碑”儀式使用的紀念冊封面

四、帕爾馬技術中心的科學家們開創了高性能碳纖維技術的基礎科學研究

19世紀末，美國城市街道的照明靠的是電弧燈。這種燈由兩根連接到一個電源上的碳電極組成。帶電粒子在兩根電極間閃耀放熱，形成電弧，釋放出強烈的光亮。1886年，美國國家碳材料公司（National Carbon Company）創立，標志著美國合成碳產業的起步，其最早的產品就是電弧燈用的碳電極。1917年，國家碳材料公司與聯合碳化物公司（Union Carbide Corp.）合并成立了聯合碳化物與碳制品集團公司（Union Carbide & CarbonCorp.）。1957年，美國聯合碳化物與碳制品集團公司更名為聯合碳化物公司（Union Carbide Corp.）。20世紀70年代末，聯合碳化物公司組建了獨立的部門生產碳纖維，后該部門被賣給美國國際石油公司（Amoco Corporation），其后，再被賣給美國氰特工業公司（Cytec Industries Inc.）。1995年，聯合碳化物公司成立了UCAR碳制品公司（UCAR Carbon Company）；2002年，更名為葛孚特國際公司。

20世紀50年代末，美國聯合碳化物公司在克利夫蘭市建立了帕爾馬技術中心（Parma Technical Center）從事基礎科學研究。該中心是個20世紀40-50年代流行的大學校園式企業實驗室（university-style corporatelabs），其環境風格簡約現代、管理氛圍自由寬松，聚集了許多學術背景不同、朝氣蓬勃的年輕科學家從事自己喜愛的研究。

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