編者按

美英日的碳纖維產(chǎn)業(yè)都經(jīng)歷過扼腕嘆息的歷史：曾經(jīng)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(lián)合碳公司（UCC）、美國塞蘭尼斯Celanese、美國阿莫科（AMOCO），日本大阪工業(yè)試驗所,日本碳素,日本旭化成……，他們在碳纖維領(lǐng)域均不復(fù)存在了。這真可謂大江東去,，浪淘盡，千古風(fēng)流人物……。

李世民曾講過：”以史為鏡,可以知興替”。軍事科學(xué)院周宏同志的這些文章素材詳實、技術(shù)描述專業(yè)，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(shù)由盛到衰，教訓(xùn)值得深思”，近些年，英國政府把碳纖維復(fù)合材料列為戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，政府確定將復(fù)合材料作為未來幾十年制造業(yè)振興的關(guān)鍵驅(qū)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(chǎn)業(yè)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(dāng)我們回看中國碳纖維的發(fā)展歷史：1962年，中科院長春應(yīng)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(chǎn)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(yīng)化所研究碳纖維（稍微晚于東麗）；1975年由當(dāng)時的國防科委主任張愛萍主持7511會戰(zhàn)；1986年，吉林化學(xué)工業(yè)公司引進(jìn)英國RK CARBON的技術(shù)；2001年師昌緒先生給江澤民主席寫了 “關(guān)于加速開發(fā)高性能碳纖維的請示報告”；2002年安徽華皖集團(tuán)全套引進(jìn)英國的原絲碳化生產(chǎn)技術(shù)，從此開啟中國狂飆猛進(jìn)的工業(yè)建設(shè)浪潮；再到今天的“擴產(chǎn)能、求生存、謀發(fā)展、待破局的復(fù)雜局面”。我們的產(chǎn)業(yè)何去何從？確實值得行業(yè)同仁深刻反思，……。

美國高性能碳纖維技術(shù)早期發(fā)展史研究

周宏 軍事科學(xué)院

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

關(guān)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(zhàn)防護(hù)裝備技術(shù)研究，以及國產(chǎn)高性能纖維技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)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(chǔ)科學(xué)研究也發(fā)端在那里。今天，美國仍是世界高性能碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用強國。研究美國高性能碳纖維技術(shù)的發(fā)展歷程，對我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和健康發(fā)展應(yīng)有所借鑒。

本文綜述了美國高性能碳纖維技術(shù)的早期發(fā)展過程及兩位科學(xué)家的重要研究貢獻(xiàn)，分析了其經(jīng)驗。

一、碳纖維誕生在美國，始于白熾燈的發(fā)明

碳纖維是作為白熾燈的發(fā)光體誕生的。英國化學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·威爾森·斯萬爵士（Sir Joseph Wilson Swan，1828–1914）發(fā)明了以鉑絲為發(fā)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(xì)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(fā)明了一盞以碳紙條為發(fā)光體的半真空電燈，也就是白熾燈的原型；但當(dāng)時真空技術(shù)不成熟，所以燈的壽命不長。19世紀(jì)70年代末，真空技術(shù)已漸成熟，斯萬發(fā)明了更實用的白熾燈，并于1878年獲得了專利權(quán)。1879年，愛迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931）發(fā)明了以碳纖維為發(fā)光體的白熾燈。他將富含天然線性聚合物的椴樹內(nèi)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(jìn)行高溫烘烤；受熱時，這些由連續(xù)葡萄糖單元構(gòu)成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。1892年，愛迪生發(fā)明的“白熾燈泡碳纖維長絲燈絲制造技術(shù)（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(fā)明了最早商業(yè)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(jié)構(gòu)強力，使用中很容易碎裂、折斷，即便只是作為白熾燈的發(fā)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(fā)明碳纖維后的30多年里，改進(jìn)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(chǎn)技術(shù)專利

二、人造纖維化學(xué)纖維的出現(xiàn)，為美國高性能碳纖維技術(shù)基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了前提

人造纖維化學(xué)纖維的出現(xiàn)，把碳纖維技術(shù)引入了“再發(fā)明（reinvented）”時代。20世紀(jì)早期，粘膠（1905）和醋酯（1914）等人造纖維的出現(xiàn)，特別是20世紀(jì)中期，聚氯乙烯（1931）、聚酰胺（1936）和聚丙烯腈（1950）等化學(xué)纖維的商業(yè)化，為美國開創(chuàng)高性能碳纖維技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了前提。

20世紀(jì)50年代中期，美國人威廉姆•F•阿博特（WilliamF. Abbott）發(fā)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?zhí)朣erials 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?zhí)朣erials No. 852,530），1962年9月11日，該項申請獲得了美國專利授權(quán)（專利號：3053775）。（圖2）

阿博特（Abbott）專利的技術(shù)要點是：一種生產(chǎn)固有密度高、拉伸強力好的纖維形態(tài)碳材料的加工工藝。當(dāng)時的碳纖維在很小的機械力作用下，就會斷裂。阿博特的發(fā)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(tài)不被破壞；且直徑更細(xì)，表面更清潔，柔韌性和彈性更好；纖維直徑及性能可設(shè)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(dāng)時位于美國加利福尼亞州奧海鎮(zhèn)（Ojai, California）的公司，成立于1955年，后被稅務(wù)部門吊銷。由于信息有限，該公司和阿博特（Abbott）本人的詳細(xì)情況尚無從知曉。

阿博特（Abbott）的專利被轉(zhuǎn)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(yè)化生產(chǎn)棉基或人造絲基碳纖維復(fù)絲，但其只能用來生產(chǎn)繩、墊和絮等產(chǎn)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(chǔ)科學(xué)研究和工業(yè)化技術(shù)研發(fā)進(jìn)入了高峰期（表1）。

表1 美國高性能碳纖維技術(shù)早期發(fā)展歷程一覽表

 

 

 

三、高性能碳纖維技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究被確認(rèn)為“美國歷史上的化學(xué)里程碑”

美國歷史上的化學(xué)里程碑（National Historic ChemicalLandmark），是美國化學(xué)會（American Chemical Society‹ACS›）開展的一項發(fā)掘整理美國有歷史影響的化學(xué)家和化學(xué)事件的活動。各區(qū)域分支機構(gòu)申報本地區(qū)曾出現(xiàn)的人物和發(fā)生過的事件，美國化學(xué)會組織專家考核和認(rèn)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(xué)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(lián)合碳化物公司（Union CarbideCorp.）。2003年9月17日，美國化學(xué)會確認(rèn)，原美國聯(lián)合碳化物公司帕爾馬技術(shù)中心（US Union CarbideCorp.’sParma Technical Center）曾開展的高性能碳纖維技術(shù)研究，是一項“美國歷史上的化學(xué)里程碑”；羅格·貝肯（Roger Bacon）1958年發(fā)現(xiàn)了“石墨晶須（graphite whiskers）”及其所具有的超高強現(xiàn)象；倫納德·辛格（Leonard S. Singer）1970年發(fā)明了中間相瀝青基碳纖維制備技術(shù)；他們開創(chuàng)了碳纖維增強復(fù)合材料的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)，是該領(lǐng)域的開拓者。（圖3、圖4）

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

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

四、帕爾馬技術(shù)中心的科學(xué)家們開創(chuàng)了高性能碳纖維技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究

19世紀(jì)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(chuàng)立，標(biāo)志著美國合成碳產(chǎn)業(yè)的起步，其最早的產(chǎn)品就是電弧燈用的碳電極。1917年，國家碳材料公司與聯(lián)合碳化物公司（Union Carbide Corp.）合并成立了聯(lián)合碳化物與碳制品集團(tuán)公司（Union Carbide & CarbonCorp.）。1957年，美國聯(lián)合碳化物與碳制品集團(tuán)公司更名為聯(lián)合碳化物公司（Union Carbide Corp.）。20世紀(jì)70年代末，聯(lián)合碳化物公司組建了獨立的部門生產(chǎn)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(yè)公司（Cytec Industries Inc.）。1995年，聯(lián)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(jì)50年代末，美國聯(lián)合碳化物公司在克利夫蘭市建立了帕爾馬技術(shù)中心（Parma Technical Center）從事基礎(chǔ)科學(xué)研究。該中心是個20世紀(jì)40-50年代流行的大學(xué)校園式企業(yè)實驗室（university-style corporatelabs），其環(huán)境風(fēng)格簡約現(xiàn)代、管理氛圍自由寬松，聚集了許多學(xué)術(shù)背景不同、朝氣蓬勃的年輕科學(xué)家從事自己喜愛的研究。

（一）羅格·貝肯發(fā)現(xiàn)“完美石墨（Perfect Graphite）”，奠定高性能碳纖維技術(shù)的科學(xué)基礎(chǔ)

高性能碳纖維技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究發(fā)端于1956年。

1955年，羅格·貝肯（Roger Bacon，1926–2007）（圖4）獲得凱斯理工學(xué)院（Case Institute of Technology）固體物理學(xué)博士學(xué)位。1956年，他加入帕爾馬技術(shù)中心，直至1986年。

最初，貝肯的研究目標(biāo)是測量碳三相點（固、液、氣態(tài)的熱力學(xué)平衡點）處的溫度和壓力，這需要在近100個大氣壓（atm）和3900開氏度（K，約3626.85°C）的條件下進(jìn)行測量。他用的實驗裝置與早期的碳電弧燈原理相同，區(qū)別只是運行壓力更高。研究過程中，他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力較低時，直流碳弧爐負(fù)極上的氣態(tài)碳生長成了石筍狀的長絲。這些長絲就是呈稻草狀嵌入到沉積物中的石墨晶須。石墨晶須最長有1英吋（2.54cm），直徑只有人的頭發(fā)的十分之一，卻可承受彎曲和扭結(jié)而不脆斷，其特性令人驚奇。

1960年，貝肯在《應(yīng)用物理（Journal of Applied Physics）》雜志上就此發(fā)表了論文，成為了高性能碳纖維技術(shù)基礎(chǔ)研究史上的里程碑。貝肯認(rèn)為，石墨晶須是石墨聚合物，是一種純粹的碳形式，碳原子排列在六角型的片體中；它是卷起來的石墨片層，其中，晶體學(xué)的c軸正好垂直于旋轉(zhuǎn)軸；其柱面的橫截面呈圓形或橢圓形。氬氣環(huán)境中，92atm、3900K（開氏度，約3626.85°C）下，可制成石墨晶須。其拉伸強力、彈性模量和室溫電導(dǎo)率分別為20GPa、700GPa和65μΩ·cm，與單晶相似。所以，它雖然不是單晶，但是，它沿長絲軸向表現(xiàn)出了單晶的性狀。1960年，貝肯關(guān)于石墨晶須的發(fā)現(xiàn)發(fā)明獲得了美國專利（專利號：2957756）（圖5）。貝肯當(dāng)時認(rèn)為，制備石墨晶須還只是實驗室成果，要利用其原理制造出有實用價值的碳纖維，路還很長。

此后十幾年的研究，就是要獲得低成本、高效率生產(chǎn)具有石墨晶須特性的高性能碳纖維技術(shù)。

 

 

 

圖5 羅格·貝肯石墨晶須發(fā)現(xiàn)和制備石墨晶須的技術(shù)發(fā)明獲得的專利

發(fā)現(xiàn)石墨晶須及其特性并發(fā)明實驗室制備石墨晶須方法的60年后，2016年10月25日，羅格·貝肯入選美國國家發(fā)明家名人堂（National Inventors Hall ofFame）。（圖6）

 

 

 

圖6. 羅格·貝肯入選美國國家發(fā)明家名人堂

（二）高強高模碳纖維技術(shù)的進(jìn)步與早期商業(yè)化應(yīng)用

1959年，帕爾馬技術(shù)中心的科學(xué)家們就發(fā)明了高性能人造絲基碳纖維的制備技術(shù)。加利·福特（Curry E. Ford）和查爾斯·米切爾（Charles V. Mitchell）發(fā)明了3000°C高溫下熱處理人造絲制造碳纖維的工藝技術(shù)，生產(chǎn)出了當(dāng)時強度最高的商業(yè)化碳纖維，并獲得了專利（專利號：3107152）（圖7）。美國空軍材料實驗室（U.S. Air Force MaterialsLaboratory）很快就采用這種人造絲基碳纖維作為酚醛樹脂的增強體，研制了用于航天器熱屏蔽層的復(fù)合材料。其作用是，返回大氣層時，導(dǎo)彈或火箭殼體與大氣劇烈摩擦，表面形成高溫，酚醛樹脂吸熱后緩慢分解，碳纖維使酚醛樹脂不被燒毀，保證彈箭完成大氣層中的行程。1963年，碳纖維增強樹脂復(fù)合材料技術(shù)研究取得實質(zhì)性突破，復(fù)合材料技術(shù)跨入“先進(jìn)復(fù)合材料”時代。此前，樹脂基復(fù)合材料的增強體一直被玻璃纖維和硼纖維壟斷。相較玻璃纖維和硼纖維，碳纖維作為增強體，性價比更佳。

 

 

 

圖7 加利·福特纖維態(tài)石墨的發(fā)明專利

1964年，衛(wèi)斯理·沙拉蒙（Wesley A. Schalamon）和羅格·貝肯一起，發(fā)明了商業(yè)化制造高模量人造絲基碳纖維的技術(shù)；2800° C以上高溫下“熱拉伸（hot-stretching）”人造絲，使石墨層取向與纖維軸向幾乎平行；技術(shù)關(guān)鍵是，在加熱過程中拉伸纖維，而非在達(dá)到高溫之后再進(jìn)行拉伸。這種工藝使纖維模量提高了10倍，是制備具有與石墨晶須相同性能的碳纖維的關(guān)鍵一步。1965年末，采用該技術(shù)制造的Thornel 25牌號的碳纖維投入市場。此后10多年里，美國聯(lián)合碳化物公司采用高溫?zé)崂旃に囇邪l(fā)出了一系列高模量碳纖維，Thornel系列產(chǎn)品的模量達(dá)到了830GPa。沙拉蒙和貝肯的這項發(fā)明于1973年獲得了專利（專利號：3716331）（圖8）。

 

 

 

圖8 衛(wèi)斯理·沙拉蒙高模量碳纖維制備工藝的發(fā)明專利

（三）倫納德·辛格發(fā)明中間相瀝青基石墨纖維制造技術(shù)

高溫?zé)崽幚磉^程中，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)會從無序變?yōu)橛行颉：嘉镔|(zhì)，1000°C下，可被碳化成含碳量約99%的碳材料；2500 °C時，可被碳化成含碳量100%的碳材料。 然而，并非所有含碳物質(zhì)經(jīng)高溫?zé)崽幚砗螅寄艿玫秸嬲氖Ｖ挥心切┙Y(jié)構(gòu)足夠有序、可形成石墨晶須的含碳物質(zhì)，才能經(jīng)高溫?zé)崽幚碇瞥删哂懈邔?dǎo)熱、高導(dǎo)電和高硬度等特性的純石墨。聚丙烯腈和人造絲都不屬于這類含碳物質(zhì)，故不可能經(jīng)高溫?zé)崽幚碇瞥墒w維。要制造更高性能的碳纖維，必需一種新材料作為前驅(qū)體。

倫納德·辛格（Leonard S. Singer，1923-2015，圖9）為此開辟了道路。20世紀(jì)50年代中期，辛格從芝加哥大學(xué)（University of Chicago）獲博士學(xué)位后，加入帕爾馬技術(shù)中心，從事電子自旋共振研究。

雖然沒有任何碳或石墨研究經(jīng)驗，但他卻試圖研究碳化的機理。加熱石油和煤等原料，就產(chǎn)生了瀝青樣物質(zhì)。石油基和煤基瀝青是制造碳和石墨制品的基礎(chǔ)原料。瀝青含碳量90%以上，遠(yuǎn)高于人造絲和丙烯腈。它們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，是重要的高碳含量前軀體有機物。同期，有研究表明，這類混合物中的多數(shù)物質(zhì)是各向同性的，通過進(jìn)一步聚合，可使其分子以分層的形式得以取向。

1970年，辛格解決了制備高模量瀝青基碳纖維的關(guān)鍵技術(shù)；其技術(shù)核心是，液晶或中間相是實現(xiàn)高模特性的關(guān)鍵。中間相瀝青重量的80-90%可轉(zhuǎn)化為碳，且具有極佳的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、抗氧化、低熱膨脹率等性能。他成功地將原料瀝青處理成了中間相或液晶態(tài)瀝青，進(jìn)而通過流動和剪切使其實現(xiàn)取向。辛格和助手艾倫·切麗（Allen Cherry）設(shè)計了一臺“太妃糖牽引（taffy-pulling）”機，并用它給粘稠的中間相瀝青施加張力，使其分子重新排序，然后進(jìn)行熱處理。這項技術(shù)取得了成功，他們制得了高度取向的石墨纖維。1975年，聯(lián)合碳化物公司開始商業(yè)化生產(chǎn)Thornel P-SS牌號的連續(xù)長絲；1980-82年，其模量已達(dá)690-830GPa。1977年，辛格獲得了石墨纖維及其制造工藝的專利（專利號：3919387）（圖10）。美國空軍材料實驗室（AFML）和美國海軍（NSSC）資助了辛格的研究。

 

 

 

圖10 倫納德·辛格制備高中間相含量瀝青纖維的專利

瀝青雖是一種相對廉價的原料，但其制成的碳纖維，成本差異卻非常大。模量較低、非石墨化、較廉價的中間相瀝青基碳纖維，用于制造飛機剎車片和增強水泥。具有超高模量和超高熱導(dǎo)率等高端性能且成本昂貴的中間相瀝青基石墨纖維，被用于制造火箭噴管喉襯、導(dǎo)彈鼻錐和衛(wèi)星結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵零部件，是不可替代的關(guān)鍵航天材料。

五、美國聚丙烯腈基碳纖維技術(shù)的錯過與回歸

人造絲、聚丙烯腈或瀝青，是碳纖維的三大前驅(qū)體。其中，丙烯腈基碳纖維（Polyacrylonitrile ‹PAN›-based Carbon Fibers）的綜合性能特別突出，已在許多領(lǐng)域取代了人造絲基碳纖維。碳纖維性能得以跨越式提升的原因，就是發(fā)明了更好的丙烯腈纖維。英國和日本的科學(xué)家最先研發(fā)出了純丙烯腈聚合物，加工中，其分子鏈中連續(xù)的碳原子和氮原子鏈可形成高度取向的石墨樣層，從而降低了對熱拉伸的需求。

1941年，美國杜邦公司發(fā)明了丙烯腈纖維技術(shù)。1950年，杜邦公司開始商業(yè)化生產(chǎn)“奧綸（Orlon）”品牌的丙烯腈纖維。1944-45年，聯(lián)合碳化物公司的溫特（L. L. Winter）就發(fā)現(xiàn)了丙烯腈在灰化溫度下不熔融的特性，并認(rèn)為其可被制成纖維形態(tài)的碳材料。1950年，胡茲（Houtz）發(fā)現(xiàn)，在空氣中、200°C下熱處理丙烯腈纖維，制得的產(chǎn)品具有很好的防火性能。后來，類似的產(chǎn)品被稱為“黑奧綸（Black Orlon）”。原本，這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是研發(fā)高性能PAN基碳纖維技術(shù)的出發(fā)點，但由于過度關(guān)注人造絲基碳纖維技術(shù)研究，美國科學(xué)家們錯過了PAN基碳纖維技術(shù)的發(fā)展機遇。

在西方科學(xué)家?guī)缀醪恢榈那闆r下，日本科學(xué)家一直在默默地開展PAN基碳纖維技術(shù)的研究。1961年，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院（Government IndustrialResearch Institute）的進(jìn)藤昭男（Akio Shindo），在實驗室中制得了模量140GPa的PAN基碳纖維，高出人造絲基碳纖維模量的3倍。進(jìn)藤昭男的發(fā)明得到了日本科學(xué)屆和工業(yè)屆的迅速推廣，日本東麗工業(yè)公司（Toray Industries）開發(fā)了性能極優(yōu)異的丙烯腈原絲，并建立了碳纖維中試工廠，從此占據(jù)了PAN基碳纖維技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位。1970年，日本東麗公司與美國聯(lián)合碳化物公司簽署技術(shù)合作協(xié)議，后者以碳化技術(shù)交換前者的丙烯腈原絲技術(shù)，并很快生產(chǎn)出了高性能PAN基碳纖維，從而把美國帶回了碳纖維技術(shù)的前沿。

六、結(jié)論

綜觀美國碳纖維技術(shù)的早期發(fā)展歷程，以下規(guī)律和事實值得注意：

（一）碳纖維誕生于電光轉(zhuǎn)換裝置的產(chǎn)品發(fā)明。

19世紀(jì)中后期，是科學(xué)革命和工業(yè)革命的成果爆發(fā)期，大量的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)發(fā)明涌現(xiàn)出來，為人類社會進(jìn)入現(xiàn)代化時代貢獻(xiàn)了文明成果。碳纖維技術(shù)正是在這樣的時代背景下產(chǎn)生的。為了點亮暗夜，斯萬和愛迪生發(fā)明了將電轉(zhuǎn)化為光的電燈，作為電燈的發(fā)光體，碳纖維悄然誕生。

初生的碳纖維，并不引人矚目。因為，電燈是那時人們關(guān)注的焦點。盡管碳纖維的重要性被暫時忽略，但只要是有生命力的事物就一定會走上出生、成長、成熟、衰亡和重生的規(guī)律性過程。技術(shù)、產(chǎn)品與生物體一樣。

（二）高性能碳纖維技術(shù)誕生于基礎(chǔ)研究的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

石墨晶須，及其特性和微觀結(jié)構(gòu)，是在基礎(chǔ)科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)的。這一發(fā)現(xiàn)，為高性能碳纖維制造技術(shù)研究提供了方向和目標(biāo)。20世紀(jì)50-70年代，基礎(chǔ)科學(xué)研究的發(fā)現(xiàn)和大量工程技術(shù)的發(fā)明，對于高性能碳纖維技術(shù)的成熟和完善，功不可沒。

（三）高性能碳纖維技術(shù)領(lǐng)域存在著“美日同盟”。

日本科學(xué)家進(jìn)藤昭男之所以萌生開展碳纖維研究的念頭，是因為受到了美國該領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)展報道的啟發(fā)。日本東麗公司成功實現(xiàn)PAN基碳纖維商業(yè)化后，與美國聯(lián)合碳化物公司簽署原絲與碳化技術(shù)互換協(xié)議，使兩家公司同時擁有了高性能碳纖維生產(chǎn)的全過程技術(shù)。此后，其它日本公司也生產(chǎn)出了性能優(yōu)異的丙烯腈纖維前驅(qū)體。日本住友公司（Sumitomo Corporation）為美國赫爾克里斯公司（Hercules Incorporated）提供丙烯腈纖維前驅(qū)體，并經(jīng)英國考陶爾斯公司（CourtauldsPLC）授權(quán)生產(chǎn)碳纖維。1美日技術(shù)合作使高性能碳纖維技術(shù)得以快速研發(fā)并廣泛應(yīng)用。今天，美國波音飛機采用的都是日本東麗公司生產(chǎn)的碳纖維。2015年，日本東麗公司又把從丙烯腈原絲到碳化的全過程碳纖維生產(chǎn)工廠建在了美國，以滿足波音公司生產(chǎn)先進(jìn)飛機對碳纖維快速增長的需求。美日的技術(shù)互動，是推動高性能碳纖維技術(shù)不斷向前沿發(fā)展的重要因素之一。