迟伟东：突破沥青碳纤维的“禁区”

本刊记者 王 辉

随着科技的不断进步，越来越多的新型材料被广泛应用于生产、生活中。沥青基碳（石墨）纤维作为20世纪60年代研发出来的新型材料，至今已广泛应用在交通、机械、体育娱乐、医疗卫生、土木建筑等领域，尤其是中间相沥青碳（石墨）纤维因质轻并具有高强度、高导热、超高模量、能耐高温、耐腐蚀、低热膨胀系数等优良特性，成为航空航天工业和国防建设不可或缺材料。当时，在国际上能够生产中间相沥青碳纤维的只有日本和美国，并已形成一定的生产规模和系列化产品。而我国还处于实验室研发和中试阶段，与国外差距很大，严重制约了我国相关领域的发展与规划。

为突破这一困局，我国许多科研部门展开了超高模量石墨纤维的国产化研究与制备，其中，北京化工大学碳纤维研究所研究员迟伟东带领团队攻坚克难、经不懈努力于2008年在国内率先突破中间相沥青连续纺丝技术和连续氧化、碳纤维技术，打破了美国、日本等国家对中间相沥青碳（石墨）纤维产品和技术的封锁和垄断，填补了国内空白。

为心中的目标而努力

也许是大学期间养成的亲力亲为的习惯，在中间相沥青碳（石墨）纤维的实验研发和成果转化过程中，始终看到迟伟东在一线，查找问题、改良设备、改善技术……

1985年，迟伟东初次踏入北京化工学院（北京化工大学前身），从此开启了他的学习、研究征程，特别是在1991年读研究生时他有幸遇良师引导，开始研究沥青碳纤维。在攻读博士学位期间，他参与为美国企业研究制作刹车片，在研究中他打破常规，利用短节纤维和沥青混合模压、碳化的方式制作了低成本的碳/碳复合材料刹车片，达到了企业的预期要求，1997年他获得北京化工大学博士学位。

回想自己在北京化工学院求学的那段日子，迟伟东觉得在学校开展了大量基础性研究，掌握了基本制造工艺，并且最让他受益匪浅的是，1989年至1991年间，他在哈尔滨北方橡胶厂的实践煅炼。在那里，他有机会与一线工人的接触，学会了如何设计、加工产品，这段经历让他在以后的研究中，养成了遇到问题自己动手改进的习惯。

“北京化工大学碳纤维及复合材料研究所在碳纤维及其他新型碳材料领域的研究居国内前列，尤其是在高模量碳纤维（PAN基高模碳纤维和中间相沥青基碳（石墨）纤维）方面。”在这里，迟伟东可以有“有武之地”，他选择了留校任教。

“如果卫星使用中间相沥青基碳（石墨）纤维可减少十几公斤甚至几十公斤的重量，而且在研究中我们还发现中间相沥青基碳（石墨）纤维在一定的温度下具有吸收电磁波的作用，这就是说明它还可用作隐身材料……”迟伟东如数家珍地给记者描述中间相沥青碳（石墨）纤维的奇妙效果，正是这些效果，使美国、日本对其产品和技术长期封锁和垄断。

没有参考和借鉴要制作出与美日同等质量和效果的产品，对于迟伟东来了说无疑是艰巨的挑战，在长期深入研究中间相沥青形成机理中，迟伟东先从原料的组成、热缩聚反应的温度、压力和时间等条件对中间相沥青的结构和性能影响的规律入手。在对中间相沥青的流变特性研究基础上，他多次对喷丝板结构和纺丝工艺条件进行优化，制备出直径在10μ左右的中间相沥青连续长丝。根据纤维的不熔化机理以及碳化、石墨化反应机理，他对不同种类碳（石墨）纤维制备的各阶段的工艺参数与产品的结构和性能的相关性进行了充分地研究，获得了大量的基础数据。

在攻读硕士学位期间，他就加入了导师领衔的科研团队，参加了“863计划”“高模量碳纤维的研制”攻关任务，在恩师带领指导下经过整个团队的共同努力，他们建成了中间相沥青的中试生产线，包括原料蒸馏、过滤装置，和100L聚合釜，形成年产中间相沥青100公斤的生产能力，全面掌握了中间相沥青基碳（石墨）制备小试工艺，研制出高性能中间相沥青基石墨纤维，单丝试样的抗拉强度为3.0～3.4GPa，拉伸模量为700～973GPa，与美国Amoco公司的高导热石墨纤维K－1100相近。在小试基础上，进行了中间相沥青基碳（石墨）纤维连续化生产的研究，初步打通了中间沥青纺丝、氧化、碳化工艺，获得0.5K沥青基石墨纤维，连续长度为500米，其性能达到σ:2.5GPa,E:527Gpa，与美国Thornel®P-75相当，在此期间，他不但在科研能力方面得到了很大的提高，更重要的是在科研态度、团队合作及奉献精神等方面得到了锻炼，这为他制备长度1000米中间相沥青碳（石墨）纤维奠定了基础。

为实现中间相沥青碳纤维国产化而努力

“制备一根沥青碳纤维单丝容易，但制备一束连续长丝就是巨大挑战”，2006年前后，迟伟东获2项军工配套项目的支持，他开始了在中间相沥青碳纤维领域新的探索，希望能借此机会突破中间相沥青碳纤维连续化制备技术的难关，研制出连续长度大于1000米的中间相沥青碳纤维束丝。由于沥青纤维的强度极低，接近于0，稍有风吹草动都可能碎断，这无疑增添了更大的挑战，但再难也撼动不了迟伟东心中的目标，为尽快解决纺丝连续化的难题，他不囿于传统方法，突破理论束缚，日思夜想寻找方法。

经过两年多的努力，2008年，他完全打通中间相沥青的纺丝、氧化、碳化连续化工艺，创新性地提出了新的纺丝工艺。这一新工艺的特点是，纤维直径的可控好，断头率很低，一束纤维中包含的单丝数量可控。利用这种工艺，目前可生产1K、2K、3K的系列沥青纤维产品，纤维的连续长度均在1000米以上。在前期制备出连续沥青纤维长丝的基础上，他进行了沥青纤维连续氧化、碳化工艺的研究，重点解决了沥青纤维在氧化、碳化过程中的加张力问题，通过设计一种特殊结构的沥青纤维加张系统，可在沥青纤维上施加所需张力，同时对连续氧化的走丝速度，各氧化炉、碳化炉的温度场分布对制品性能的影响进行了研究，并突破了沥青纤维连续氧化、碳化工艺，制备出连续长度大于1000米的中间相沥青基碳纤维，形成了100公斤级的生产能力。

产业报国、创新为民。只有加强产学研用紧密结合，才能实现科技成果向现实生产力转移转化。迟伟东深知，这项技术成果要广泛应用，就得把研究成果尽快转化为产品，实现产销一条龙。从2008年至2009年间迟伟东走出了校园，不等不靠主动与企业联系合作。“国家给予了一定的投入，如果只做实验，没有产品是很难向国家交待的，而且在企业的支持下，我们可有足够的经费进行更深入的研究。”2013年，他与山东瑞城宇航碳材料有限公司开展合作。“发展”成为这次合作的重心，为把中间相沥青碳纤维技术转化发展成产品尽早投入我国航空航天等方面使用，迟伟东和团队从技术和原料上给予山东瑞城宇航碳材料有限公司大力支持，帮助建成一条具有年产中间相沥青碳纤维300公斤生产能力的中试生产线，可生产出1K、2K、3K，连续长度大于1000米的中间相沥青基碳（石墨）纤维，这是国内第一条中间相沥青碳纤维中试生产线。2014年10月，生产线开始调试。2014年11月，开始试运行。2014年12月28日，生产出第一批中间相沥青碳纤维产品，并于12月30日送北京卫星制造厂进行时试用，这标志着我国具有自主知识产权的中间相沥青碳纤维产品已经问世，我国中间相沥青碳纤维的发展已经进入了新的历史阶段。

“学海无涯、追求无界”，为把中间相沥青基碳（石墨）纤维技术运用到更广的领域，迟伟东有自己的目标，他希望建立联合实验室，调整原料结构，完善制备中间相沥青碳纤维的机械设备，在5年内实现国产中间相沥青碳纤维产品达到美、日产品的性能和质量。