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最早應(yīng)用碳纖維的竟是愛迪生！美、日、英高性能碳纖維技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較分析

2018-08-02 11:49:35 作者：周宏來源： DT新材料分享至：

1892年，愛迪生發(fā)明了將碳化天然纖維用作白熾燈發(fā)光體的技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了碳纖維的商業(yè)化應(yīng)用。當(dāng)時(shí)的碳纖維力學(xué)性能差，容易損壞。此后的近60年間，改進(jìn)碳纖維力學(xué)性能的研究從未停止過，但收效甚微，碳纖維技術(shù)陷入休眠期。20世紀(jì)50年代末，碳纖維基礎(chǔ)理論研究取得突破，為其高性能化發(fā)展指明了方向；與此同時(shí)，以尼龍和聚丙烯腈纖維為代表的化纖技術(shù)步入成熟期，引發(fā)碳纖維技術(shù)進(jìn)入了“再發(fā)明”時(shí)代。20世紀(jì)60至80年代，高性能碳纖維處于發(fā)展熱潮期，美、日、英相繼突破了關(guān)鍵技術(shù)，建立了產(chǎn)業(yè)。20世紀(jì)90年代，高性能碳纖維應(yīng)用步入爆發(fā)期，碳纖維增強(qiáng)樹脂已成為了航空航天器等尖端軍民用裝備的主要結(jié)構(gòu)材料。

20世紀(jì)50年代末至70年代末，美國、日本和英國的科學(xué)家分別發(fā)現(xiàn)了石墨晶須及其超高強(qiáng)特性，指明了高性能碳纖維領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向和目標(biāo)；發(fā)明了人造絲基、聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和中間相瀝青基碳纖維制備技術(shù)，奠定了高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文基于高性能碳纖維技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程中，美國、日本與英國的3個(gè)企業(yè)、2個(gè)研究機(jī)構(gòu)和5位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，分析這3個(gè)國家高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)結(jié)局不同的原因。

世界高性能碳纖維技術(shù)的發(fā)展

高性能碳纖維，是碳含量>92%，具備強(qiáng)度≥3530 MPa、模量≥230 GPa、延伸率為0.7%~2.2% 等優(yōu)異力學(xué)特性的纖維形態(tài)的碳材料。20世紀(jì)50年代末，美國科學(xué)家關(guān)于“石墨晶須”超高強(qiáng)特性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，揭開了高性能碳纖維技術(shù)的發(fā)展序幕。此后的20多年里，美國、日本和英國的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)持續(xù)推進(jìn)了該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)建設(shè)。

美國

1）美國聯(lián)合碳化物公司的成功與失敗

美國聯(lián)合碳化物公司（Union Carbide Corporation）的前身是1886年成立的美國國家碳材料公司（National Carbon Company），是美國合成碳材料產(chǎn)業(yè)的開創(chuàng)者。

20世紀(jì)50年代，聯(lián)合碳化物公司創(chuàng)建了帕爾馬技術(shù)中心（Union Carbide Corp.'s Parma Technical Center），開展碳材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究。該中心延攬了許多杰出的青年科學(xué)家從事他們感興趣的研究，獲得了極其豐碩的成果。1958年，Bacon發(fā)現(xiàn)了石墨晶須（graphite whiskers）及其超高強(qiáng)特性，并發(fā)明了實(shí)驗(yàn)室制備石墨晶須的方法；1959年，F(xiàn)ord和Mitchell發(fā)明了高性能人造絲基碳纖維制備技術(shù)，生產(chǎn)出了當(dāng)時(shí)強(qiáng)度最高的商業(yè)化碳纖維；1964年，Schalamon等發(fā)明了2800℃以上高溫中“熱拉伸”（hot-stretching）人造絲制造高模量碳纖維的技術(shù)；1970年，Singer發(fā)明了中間相瀝青基碳纖維制備技術(shù)等。2003 年9 月17 日，美國化學(xué)會(huì)（American Chemical Society，ACS）確認(rèn)，帕爾馬技術(shù)中心曾開展的高性能碳纖維技術(shù)研究，是一項(xiàng)“美國歷史上的化學(xué)里程碑”（national historic chemical landmark）。Bacon和Singer等科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的科學(xué)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60至80年代，聯(lián)合碳化物公司的高性能人造絲基碳纖維和中間相瀝青基碳纖維技術(shù)居世界領(lǐng)先水平。20 世紀(jì)60 年代初，美國空軍材料實(shí)驗(yàn)室（Air Force MaterialsLaboratory，AFML）使用聯(lián)合碳化物公司1959年投產(chǎn)的高性能人造絲基碳纖維作為酚醛樹脂的增強(qiáng)體，研制了航天器熱屏蔽層。這是碳纖維首次替代玻纖和硼纖維作為樹脂增強(qiáng)體，制成輕質(zhì)耐熱復(fù)合材料制件并獲成功應(yīng)用。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)由此跨入了“先進(jìn)復(fù)合材料”時(shí)代。1982年時(shí)，聯(lián)合碳化物公司生產(chǎn)的ThornelP-SS型中間相瀝青基碳纖維連續(xù)長絲的模量已達(dá)到了830 GPa。

美國聯(lián)合碳化物公司在當(dāng)時(shí)本該成為世界高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)的引領(lǐng)者，但由于盲目擴(kuò)張和管理混亂，反以悲劇告終。1984年其在印度的分公司發(fā)生博帕爾慘案，造成人類歷史上迄今為止最嚴(yán)重的化學(xué)毒氣泄露事故，導(dǎo)致近80萬人死傷。這一事件致其倒閉，幾經(jīng)轉(zhuǎn)賣后，其碳纖維業(yè)務(wù)現(xiàn)為美國氰特工業(yè)公司（Cytec Industries Inc.）擁有。

喪失了聯(lián)合碳化物公司的頭雁引領(lǐng)，美國高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)未能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的輝煌。目前，美國雖擁有可保障軍用的技術(shù)、產(chǎn)品和產(chǎn)能，但產(chǎn)品不具性價(jià)比優(yōu)勢，沒有市場競爭力，故像波音飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)材料這樣的民用需求只能靠日本東麗公司供應(yīng)。

2）Bacon發(fā)現(xiàn)石墨晶須及其超高強(qiáng)特性

1956年，Bacon開始研究碳三相點(diǎn)處溫度和壓力的測量問題。使用直流碳弧爐，在近1.01325×107 Pa 和3900 K條件下，實(shí)驗(yàn)表明，壓力較低時(shí)，負(fù)極上的氣態(tài)碳生長出了石筍狀的長絲，即石墨晶須。石墨晶須的直徑只有人頭發(fā)的1/10，最長約2.54 cm，可彎曲和扭結(jié)而不脆斷，特性令人驚奇。Bacon研究認(rèn)為，石墨晶須是由碳片層沿長度軸卷繞而成，結(jié)構(gòu)的高度取向是其具有超高強(qiáng)特性的原因所在，Bacon的發(fā)現(xiàn)獲得了美國專利，相關(guān)研究成果也發(fā)表在1960 年的《應(yīng)用物理》（Journalof Applied Physics）上。由此，高性能碳纖維技術(shù)發(fā)展有了明確的目標(biāo)和方向（表1）。

表1 人造絲基碳纖維與石墨晶須性能比較

3）Singer發(fā)明中間相瀝青基碳纖維

20世紀(jì)60年代，從事碳化機(jī)理研究的Singer嘗試探索可工業(yè)化制造石墨晶須的方法。要制得石墨晶須，首要的是要找到合適的含碳原料。只有結(jié)構(gòu)足夠有序、碳含量足夠高的含碳原料，才能經(jīng)2500℃以上熱處理，制成含碳量近乎100%且結(jié)構(gòu)高度有序的高硬度純石墨質(zhì)材料。此前，科學(xué)家曾研究過酚醛、苯酚和聚酰胺等近20種有機(jī)物，但它們都不適合用作高性能碳纖維的前驅(qū)體。因此，要制造具有石墨晶須特性的高性能碳纖維，需要新的前驅(qū)體原料。

石油基和煤基瀝青，是制造碳和石墨的基礎(chǔ)原料。瀝青是分子量分布很廣的數(shù)百種芳烴類物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜混合物，含碳量90%以上，是高碳含量有機(jī)物。Singer研究發(fā)現(xiàn)，中間相瀝青具有導(dǎo)熱、導(dǎo)電、抗氧化、低熱膨脹率等優(yōu)異性能，其重量的80%~90%可轉(zhuǎn)化為碳。1970年，Singer發(fā)明了中間相瀝青制備方法，并以其為原料制成了中間相瀝青基碳纖維。中間相瀝青基碳纖維具有高強(qiáng)、高模和高導(dǎo)熱特性，是制造航天器不可替代的結(jié)構(gòu)材料。

日本

1）大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所和進(jìn)藤昭男發(fā)明PAN基碳纖維

日本政府大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所（Government Industrial Research Institute，GIRIO）成立于1918 年，成立該機(jī)構(gòu)是為日本關(guān)西地區(qū)的企業(yè)提供技術(shù)支持。該機(jī)構(gòu)1993年被并入日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院（Agency of Industrial Science and Technology，AIST），更名為大阪國立研究所（Osaka National Research Institute，ONRI）。

20世紀(jì)50年代，日本進(jìn)入經(jīng)濟(jì)起飛期，強(qiáng)烈渴望增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力。大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所鼓勵(lì)科研人員開展自己感興趣的研究，大力資助可轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)的研究項(xiàng)目，允許有實(shí)際應(yīng)用潛力的技術(shù)成果申請(qǐng)專利。正是這種有利的氛圍，使PAN基碳纖維研究結(jié)出了果實(shí)。

1959年，大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所的青年科學(xué)家進(jìn)藤昭男（Akio Shindo），讀到了《日刊工業(yè)新聞》（Nikkan Kogyo Shimbun）刊登的介紹聯(lián)合碳化物公司人造絲基碳纖維研究進(jìn)展的簡訊，激發(fā)了他強(qiáng)烈的好奇心。之后，在大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所的資助下，他開始了碳纖維研究。為尋找合適的前驅(qū)體纖維，進(jìn)藤昭男從百貨商店收集了各種織物的布頭，并對(duì)它們進(jìn)行了1000℃的熱處理。他發(fā)現(xiàn)美國杜邦公司奧綸（Orlon?）品牌聚丙烯腈纖維織成的布料的熱穩(wěn)定性非常好，經(jīng)更高溫度熱處理后，能以黑色絨毛狀小球的形態(tài)存在。進(jìn)一步研究表明，在空氣中進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚郾╇娣肿觾?nèi)的氮和氫反應(yīng)生成了氨氣和氫氰酸而釋放，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)50%~60%；可形成纖維形態(tài)完好且強(qiáng)力、模量和耐熱性都很好的PAN基碳纖維；經(jīng)更高溫度熱處理，可得到纖維態(tài)石墨。進(jìn)藤昭男的研究，為實(shí)現(xiàn)PAN基碳纖維的產(chǎn)業(yè)化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所與企業(yè)交流頻密，知識(shí)和技術(shù)轉(zhuǎn)移迅速，孵化了大量的商業(yè)利益。1959年和1970年，東海碳素公司（Tokai Electrode Mfg. Co.,Ltd.）、日本碳素公司（Nippon Carbon Co., Ltd.）和東麗公司（Toray Industries,Inc.）分別獲得了該所PAN基碳纖維技術(shù)的專利授權(quán)，為產(chǎn)業(yè)建設(shè)鋪平了道路。

2）東麗公司的PAN基碳纖維產(chǎn)業(yè)建設(shè)

東麗公司成立于1926年，前身是東洋人造絲公司（Toyo Rayon Co., Ltd.）。創(chuàng)立之初，該公司雇用多名歐洲專家，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和管理，于1927年建成生產(chǎn)線投產(chǎn)了黏膠纖維；此后，通過持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展，成功進(jìn)入了合成化學(xué)工業(yè)領(lǐng)域。20世紀(jì)40至60年代，東麗公司先后實(shí)現(xiàn)了尼龍、聚酯和丙烯酸等纖維的產(chǎn)業(yè)化，并于1961 年開始研發(fā)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，1968年全力投入PAN基碳纖維產(chǎn)業(yè)建設(shè)；通過自主研發(fā)、收購兼并和專利轉(zhuǎn)讓，1971年實(shí)現(xiàn)了TORAYCA?品牌PAN基碳纖維的商業(yè)化，并使其逐步實(shí)現(xiàn)了從體育用品到航空航天器制造的廣泛應(yīng)用。

3）大谷杉夫發(fā)明瀝青基和中間相瀝青基碳纖維

20世紀(jì)50年代中后期，大谷杉夫（Sugio Otani）在群馬大學(xué)（Gunma University）開始從事碳化技術(shù)研究。他研究了許多純化合物、聚合物，以及瀝青的碳化機(jī)理，創(chuàng)立了瀝青平均模型結(jié)構(gòu)研究方法。期間，他發(fā)現(xiàn)，氮?dú)庵?60℃熱處理的吹制瀝青、煤基瀝青和聚氯乙烯（PVC）都具有很好的可紡性，1000℃熱處理聚氯乙烯和吹制瀝青可制得性能尚可的碳纖維。此后，他致力于低成本、高質(zhì)量碳纖維的制備技術(shù)研究；研發(fā)了以工業(yè)石油酸淤渣為原料的“氮?dú)猸h(huán)境-熱處理-熔紡-再熱處理”的瀝青基碳纖維制備技術(shù)；發(fā)明了高分子量石油基和煤基瀝青制備技術(shù)，制得的瀝青含有稠環(huán)芳烴且烷基基團(tuán)含量低，經(jīng)空氣中熔紡、氮?dú)庵刑蓟芍瞥商己?1%~96.5%的高性能碳纖維；發(fā)明了使用四苯并酚嗪制備中間相瀝青，再經(jīng)熔紡和碳化制成具有各向異性特性的中間相瀝青基碳纖維的技術(shù)，該技術(shù)1978年獲美國專利。采用大谷杉夫的專利技術(shù)，吳羽化學(xué)工業(yè)公司（Kureha Chemical Ind. Co.）于1970年開始生產(chǎn)瀝青基碳纖維。

目前，日本擁有完備的人造絲基、PAN基、瀝青基和中間相瀝青碳纖維產(chǎn)業(yè)，占據(jù)著各細(xì)分技術(shù)的制高點(diǎn)，壟斷著所有高端產(chǎn)品的市場。

英國

1）英國皇家飛機(jī)研究中心Watt發(fā)明高性能PAN基碳纖維

皇家飛機(jī)研究中心（Royal Aircraft Establishment，R.A.E. Farnborough）是英國最早的飛機(jī)研究設(shè)計(jì)基地，其所在地范堡羅市是20世紀(jì)初的世界“航空谷”，是鷂式和協(xié)和式飛機(jī)的誕生地。該中心1961年開始研究玻纖纏繞增強(qiáng)復(fù)合材料（glass fiber reinforced plastics, GFRP）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件。玻纖強(qiáng)度雖高，但模量當(dāng)時(shí)只有70 GPa。

Watt原在該中心從事氧化碳化、熱裂解石墨和石墨抗?jié)B核燃料罐等研究，1963年開始研究高性能碳纖維。Watt認(rèn)為，石墨晶須的性能就是碳纖維要達(dá)到的目標(biāo)。為使碳纖維的結(jié)構(gòu)能逼近石墨晶須，Watt測量分析了聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇和聚丙烯腈等纖維的碳遺留和熱裂解性能。他發(fā)現(xiàn)，拉伸并熱處理聚丙烯腈纖維，可制得高強(qiáng)（1~2 GPa）高模（200~500 GPa）碳纖維。通過研究聚丙烯腈纖維預(yù)氧化和碳化中的化學(xué)反應(yīng)及分子結(jié)構(gòu)變遷，Watt認(rèn)為，聚丙烯腈前驅(qū)體纖維的結(jié)構(gòu)特性對(duì)PAN基碳纖維性能具有決定性影響。在考陶爾斯公司（Courtaulds Ltd）和摩根坩堝公司（Morganite R&D Ltd）等英國老牌化纖及碳材料企業(yè)的支持下，Watt發(fā)明了高度取向的聚丙烯腈前驅(qū)體纖維，并最早制成了高性能PAN基碳纖維。Watt的技術(shù)向美、日進(jìn)行了轉(zhuǎn)讓，這極大地促進(jìn)了世界高性能PAN基碳纖維技術(shù)的發(fā)展。

同期，英國羅爾斯羅伊斯航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司，簡稱羅羅公司（Rolls-Royce PLC）和英國原子能研究中心（Atomic Energy Research Establishment，AERE）也深度參與了高性能碳纖維的研究。

2）羅羅公司的貢獻(xiàn)與遺憾

Watt發(fā)明高性能PAN基碳纖維制備工藝技術(shù)后不久，羅羅公司于20世紀(jì)60年代中后期率先實(shí)現(xiàn)了高性能PAN基碳纖維的連續(xù)化生產(chǎn)，并很快就研制了碳纖維增強(qiáng)樹脂材質(zhì)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣風(fēng)扇葉片，準(zhǔn)備用在當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上。但該葉片未能通過撞擊試驗(yàn)，加之該型發(fā)動(dòng)機(jī)研制嚴(yán)重失誤，最終導(dǎo)致羅羅公司破產(chǎn)重組。這給剛剛起步的英國碳纖維產(chǎn)業(yè)帶來了極為不利的影響。

美、日、英3 國高性能碳纖維技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展成功因素分析

運(yùn)用態(tài)勢分析法（strengths weakness opportunities threats，SWOT）（圖1），從科學(xué)研究、工業(yè)基礎(chǔ)和發(fā)展環(huán)境等3個(gè)方面，對(duì)美、日、英3國20世紀(jì)60至80年代發(fā)展高性能碳纖維技術(shù)和產(chǎn)業(yè)期間所面臨的優(yōu)勢、弱勢、機(jī)遇和威脅比較分析如下。

圖1 態(tài)勢分析法

科學(xué)研究

1）碳材料科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)

碳纖維就是纖維形態(tài)的碳材料。認(rèn)識(shí)碳纖維的微觀特性并實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化復(fù)制，離不開碳材料科學(xué)技術(shù)的支撐。

帕爾馬技術(shù)中心成立時(shí)，聯(lián)合碳化物公司已從事了50多年的合成碳材料及制品生產(chǎn)，擁有領(lǐng)先的高性能人造絲基碳纖維技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。

進(jìn)藤昭男1952年加入大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所時(shí)，該所已有30多年碳材料和紡織技術(shù)研究基礎(chǔ)。1959年開始研究碳纖維時(shí)，他已研究了近7年高密度碳制品和核反應(yīng)堆用碳材料，這對(duì)他能快速取得初期研究成果助益良多。

皇家飛機(jī)研究中心擁有非常好的化學(xué)、塑料和碳材料技術(shù)研究基礎(chǔ)。一方面，1961年該中心就開始研究玻纖增強(qiáng)樹脂（GFRP）導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)體技術(shù)，故高性能人造絲基碳纖維一出現(xiàn)，Watt就判斷碳纖維將在該領(lǐng)域替代玻纖。另一方面，1963年進(jìn)藤昭男在美國碳材料學(xué)會(huì)（American Carbon Society，ACS）第6屆雙年學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表研究報(bào)告后，Watt敏銳地把握了其中的關(guān)鍵信息，把技術(shù)突破口精準(zhǔn)地框定在了聚丙烯腈前驅(qū)體纖維上，并快速取得了突破。

2）杰出的科學(xué)家

對(duì)Bacon、Singer、進(jìn)藤昭男、Watt和大谷杉夫等5位科學(xué)家來說，進(jìn)入碳纖維技術(shù)研究領(lǐng)域都有些偶然。Bacon做測量碳三相點(diǎn)溫度壓力實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了石墨晶須及其特性。從事碳化機(jī)理研究的Singer，為尋找更好的前驅(qū)體原料，發(fā)現(xiàn)了中間相瀝青；后受同事都在研究纖維的氛圍吸引，發(fā)明了中間相瀝青基碳纖維。進(jìn)藤昭男偶然看到報(bào)紙簡訊，就產(chǎn)生了研究碳纖維的想法，并快速付諸實(shí)施。科學(xué)的直覺和想象力，讓W(xué)att幸運(yùn)地把研究目標(biāo)聚焦在了高取向度聚丙烯腈前驅(qū)體纖維上。大谷杉夫從研究碳化機(jī)理起步，到研究瀝青特性與制備，而后才開始研究瀝青基碳纖維。

盡管研究始于偶然，但5位科學(xué)家成果斐然的發(fā)現(xiàn)發(fā)明卻奠定了高性能碳纖維發(fā)展的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。他們的杰出，就在于能抓住偶然顯現(xiàn)的科學(xué)現(xiàn)象并揭示其機(jī)理，使制造和應(yīng)用高性能碳纖維成為了可能（表2）。

表2 5位碳材料科學(xué)家的基本信息

3）知識(shí)的傳播與轉(zhuǎn)移

《日刊工業(yè)新聞》報(bào)道聯(lián)合碳化物公司人造絲基碳纖維的技術(shù)進(jìn)展；《應(yīng)用物理》雜志發(fā)表Bacon發(fā)現(xiàn)石墨晶須及其特性的論文；在美國碳材料學(xué)會(huì)的會(huì)議上，進(jìn)藤昭男發(fā)布題為《聚丙烯腈纖維的碳化》（On the carbonization of polyacrylonitrile fiber）的學(xué)術(shù)報(bào)告；美國軍官William Postelnek提示進(jìn)藤昭男，PAN基碳纖維的優(yōu)勢在于其力學(xué)特性；大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所向多家企業(yè)轉(zhuǎn)讓PAN基碳纖維技術(shù)；Watt向美、日轉(zhuǎn)讓聚丙烯腈前驅(qū)體纖維制備技術(shù)；東麗公司收購其他日本企業(yè)的碳纖維制備技術(shù)；東麗公司與聯(lián)合碳化物公司互換聚丙烯腈前驅(qū)體纖維制備和碳化技術(shù)等。此外，密集的技術(shù)信息傳播、學(xué)術(shù)交流和技術(shù)轉(zhuǎn)讓等知識(shí)的傳播與轉(zhuǎn)移活動(dòng)，大大促進(jìn)了早期高性能碳纖維技術(shù)的快速發(fā)展。

工業(yè)基礎(chǔ)

1）化纖工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)

尼龍是美國杜邦公司發(fā)明的第一種真正意義的化學(xué)纖維，1939年商業(yè)化后獲得了巨大成功。20世紀(jì)40年代英國帝國化學(xué)工業(yè)公司（Imperial Chemical Industries）實(shí)現(xiàn)了聚酯纖維的產(chǎn)業(yè)化，1950年美國杜邦公司開始商業(yè)化生產(chǎn)其發(fā)明的聚丙烯腈纖維。英國考陶爾斯公司是1794年成立的老牌紡織企業(yè)，20世紀(jì)60年代時(shí)，已有多年聚丙烯腈纖維的生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。日本東麗公司1927年開始生產(chǎn)人造絲，其后一直緊跟化纖技術(shù)的發(fā)展步伐，于1941、1958和1964年先后實(shí)現(xiàn)了尼龍、聚酯和聚丙烯腈纖維的產(chǎn)業(yè)化。成熟的化纖工業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)為高性能碳纖維的技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)建設(shè)提供了必要條件。

此外，作為化纖技術(shù)的創(chuàng)始人，美國杜邦公司也曾一度研發(fā)過碳纖維，但當(dāng)時(shí)化纖產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，因而舍棄碳纖維研發(fā)與產(chǎn)業(yè)。

2）企業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)建設(shè)

大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所1959年初步突破PAN基碳纖維技術(shù)后，最終放棄了自建產(chǎn)業(yè)的想法，把技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了企業(yè)。東海碳素和日本碳素兩個(gè)日本碳材料企業(yè)獲得大阪工業(yè)技術(shù)試驗(yàn)所的技術(shù)轉(zhuǎn)讓后，1959年開始PAN基碳纖維的產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)與建設(shè)，因缺乏化纖經(jīng)驗(yàn)，長期沒能突破技術(shù)瓶頸。1961年，已具有一定化纖技術(shù)基礎(chǔ)的東麗公司，恰逢其時(shí)地進(jìn)入該領(lǐng)域，在獲得Watt聚丙烯腈前驅(qū)體纖維技術(shù)和聯(lián)合碳化物公司碳化技術(shù)轉(zhuǎn)讓后，率先產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)出了高性能PAN基碳纖維。

3）杰出企業(yè)家

歷時(shí)10多年的產(chǎn)業(yè)建設(shè)競爭期，許多競爭者已半途而廢，而東麗公司則堅(jiān)持下來并獲得了空前成功。東麗公司現(xiàn)任高級(jí)副總裁安倍光一（Koichi Abe）認(rèn)為，看準(zhǔn)了碳纖維經(jīng)較長期研發(fā)可能應(yīng)用在飛機(jī)上的潛在價(jià)值，是東麗公司得以堅(jiān)持下去的源動(dòng)力。

創(chuàng)新和企業(yè)家理論創(chuàng)立者、經(jīng)濟(jì)學(xué)家熊彼得（Joseph Alois Schumpeter）指出，企業(yè)家是創(chuàng)新者；沒有企業(yè)家的領(lǐng)導(dǎo)，創(chuàng)新不可能成功。能透視碳纖維潛在價(jià)值并為之而不懈努力的企業(yè)家，定是同類中的佼佼者。杰出企業(yè)家，是日本高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)得以成功的核心要素之一。

發(fā)展環(huán)境

20世紀(jì)60至80年代，為應(yīng)對(duì)接續(xù)的韓越戰(zhàn)爭和持續(xù)冷戰(zhàn)，美國產(chǎn)業(yè)政策偏向了軍工；盡管碳纖維技術(shù)基礎(chǔ)研究成就輝煌且較早實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，但未能有效地開拓民用市場，使產(chǎn)業(yè)發(fā)展走上了窄路，沒有形成經(jīng)濟(jì)規(guī)模。同期，英國雖科技基礎(chǔ)深厚、社會(huì)穩(wěn)定，但經(jīng)濟(jì)低迷；技術(shù)上圖新、圖快，引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，造成重大失誤，給初期的產(chǎn)業(yè)發(fā)展涂上了陰影。其時(shí)，日本經(jīng)濟(jì)增長迅速，政府、企業(yè)和民眾齊心發(fā)展自主創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)；外部的戰(zhàn)時(shí)需求旺盛，使其不僅可以悶聲發(fā)大財(cái)，而且有精力和時(shí)間進(jìn)行高性能碳纖維技術(shù)的自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)建設(shè)。

結(jié) 論

盡管美國發(fā)現(xiàn)了高性能碳纖維的科學(xué)機(jī)理，最早建立了產(chǎn)業(yè)，但結(jié)局卻差強(qiáng)人意。英國雖然率先突破高性能PAN基碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，并開創(chuàng)性地用其研制飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件，但終因技術(shù)冒進(jìn)而“敗在開始”（end in the beginning）。因此，日本擁有建設(shè)高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)的多元?jiǎng)恿蜆O佳環(huán)境，態(tài)勢最佳；而美、英則只是依賴科學(xué)家的興趣和企業(yè)拓展傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的意愿，態(tài)勢弱勢明顯（表3）。

表3 美、英、日高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)早期建設(shè)態(tài)勢分析

1）美國強(qiáng)在科技發(fā)達(dá)，弱在發(fā)展環(huán)境差，敗在管理混亂。

從白熾燈發(fā)光體到航空航天器結(jié)構(gòu)材料，從天然纖維基、人造絲基、PAN基到中間相瀝青基碳纖維，美國科學(xué)家都一步一個(gè)腳印地一路走過。但長期的戰(zhàn)爭和冷戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向偏軍偏窄，社會(huì)不穩(wěn)定；企業(yè)盲目擴(kuò)張、管理混亂，釀成重大災(zāi)難，終致垮臺(tái)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展戛然止步。

2）英國強(qiáng)在基礎(chǔ)厚實(shí)，失于技術(shù)冒進(jìn)。

有著杰出科學(xué)家和聚丙烯腈纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)，英國快速突破了關(guān)鍵技術(shù)，并開拓了尖端應(yīng)用研究，其探索精神令人贊嘆。但技術(shù)成熟度低時(shí)，貿(mào)然研制亟待使用的碳纖維增強(qiáng)樹脂（CFRP）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，失敗自然是大概率事件，進(jìn)而動(dòng)搖了產(chǎn)業(yè)建設(shè)的信心。

3）日本強(qiáng)在意識(shí)敏銳、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)、工匠精神深厚，成在發(fā)展環(huán)境優(yōu)、產(chǎn)業(yè)通道寬。

日本及時(shí)發(fā)現(xiàn)高性能碳纖維技術(shù)的萌芽，與美、英幾乎在同一起跑線上出發(fā)；任世界亂云飛渡，內(nèi)部政通人和，舉國謀經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇、謀技術(shù)自立、謀建設(shè)新產(chǎn)業(yè)；市場基于民用，穩(wěn)步向航空航天高端應(yīng)用發(fā)展、向工業(yè)領(lǐng)域拓展；從而成就了其今日高性能碳纖維領(lǐng)域的世界主導(dǎo)地位。

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責(zé)任編輯：韓鑫

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