碳纤维技术的国家技术发明一等奖和科技进步一等奖
By www.carbonfiber.com.cn
一根仅有头发丝十分之一粗细的高性能碳纤维，拉伸强度却可以达到钢的7到9倍，而比重仅有钢的四分之一；在几千度的高温下，别的纤维早已化为灰烬，它却纹丝不动——这样的神奇纤维，成了当今航空航天、国防军用、建筑、交通、体育休闲等领域的高新材料。就是这样的材料在今年的国家科技奖上大放光彩，相应的技术分别获得了国家技术发明一等奖和科技进步一等奖。
碳纤维材料是新材料领域中的热门材料，通常指含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维复合材料，但制约碳纤维大范围使用的因素，除了其成本高昂外，加工难度的问题也是一大方面。2018年伊始，国家技术发明奖一等奖中，出现了碳纤维加工相关的方向：高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备。国家科技进步一等奖中，出现了碳纤维产业化相关的方向：干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用。
国家技术发明一等奖：高性能碳纤维复合材料构件高效加工技术与装备
在航空、航天、交通等高端装备制造领域，有“一克重就是一克金”的说法，材料越轻结构工作效能越高。目前国际通用的碳纤维复合材料可以显著提高装备性能，但加工过程极易产生损伤，制约其广泛应用。
2017年度国家技术发明一等奖授予大连理工大学贾振元团队，表彰其发明的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”解决了碳纤维复合材料构件高质高效加工难题，将我国碳纤维复合材料构件加工技术水平推进到国际前沿。
航空、航天、交通等领域高端装备是国家制造水平和综合实力的集中体现，碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称碳纤维复合材料）可以为高端装备减重增效，具有非同寻常的战略意义。
然而这种材料是典型的难加工材料，加工过程中极易产生毛刺、撕裂、分层等加工损伤，难以满足碳纤维复合材料构件的高性能要求，制约了这种高性能材料的推广应用，限制了装备性能的提升。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：那么研究它（复合材料）加工过程中，它的损伤到底是怎么产生的，把去除的机理搞清楚，把损伤的机制搞清楚，那么有了这个以后，来开发我们的加工工具，再开发我们的加工工艺，再开发我们的装备，那么整个按照这套方式，应该说，我们有一个比较源头创新的这样一个特点。
首先，贾振元团队揭示了碳纤维复合材料加工去除机理和加工损伤产生机制，提出了针对碳纤维复合材料加工的切削理论体系，实现了切削理论的源头创新。提出了“微元去除”和“反向剪切”加工损伤抑制原理，研制出三类9个系列制孔、铣削等系列加工工具。完全拥有自主知识产权的新工具，使碳纤维复合材料加工损伤由厘米量级减至0.1毫米以内，加工理论与技术进入国际领先水平。刀具寿命为进口产品的2-7倍，价格则降至1/6-1/4。 “微元去除” “反向剪切”等系列技术获多项发明专利。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：解决了一些基础的理论问题，我们的损伤是可以预测的，那么低损伤在可以预测这个理论指导下，开发的工具和工艺就实现了低损伤加工。通过这些办法，能够保证关键部件的性能，提高复合材料在航空、航天、交通运输等领域的推广应用，提高它的装备的性能，那是非常有意义的。
经过10多年攻关，团队研发出13台套高性能碳纤维复合材料数控加工工艺装备，成为我国航空航天多个重点型号关键复合材料构件加工的唯一装备，实现了从无法加工或手工加工到低损伤数字化加工的跨越。
成果已在航天一院、航天三院、中航工业、中国商飞等企业应用，突破了某新型航天装备舱段、某飞行器筒段、某系列直升机旋翼、某重型飞机调节板、大型客机机身筒段试验件、高铁车身试验件等关键复合材料构件高质高效加工难题，打破国外封锁。
项目第五完成人 航天材料及工艺研究所 研究员李兰柱：在复合材料这种部段，在它的技术标准里头，无损探伤是重要的一个指标。无论从航空和航天领域来说，复合材料的用量现在是一个航天装备的重要的一个标志性，属于衡量它先进性的重要指标之一。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：波音787，它（复合材料）的用量已经达到了50%。空客的A350，它（复合材料）的用量达到了52%。我们的ARJ21飞机，它用量现在是2%，下一步也要提高。我们的C919，大致的数量，设计的复合材料用量达到23%，所以这样的用量，对我们的加工的技术，提出了非常高的要求。
“一克重就是一克金”，从某种意义上说，航天装备的竞争就是材料的竞争、制造能力的竞争。随着新材料的更替，贾振元团队开创的复合材料加工理论体系仍将继续适应新的课题和挑战。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：一代材料一代装备，那么一代材料就需要一代加工工艺，那么我们搞加工的人第一要紧跟装备的性能的需求，第二紧跟材料的发展，随着新的材料的出现，我相信通过我们科技人员，企业界的共同努力，我们的目标还是明确的，有需求我们要去做。
国家科技进步一等奖：干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用。
东华大学材料学院陈惠芳科研团队联合中复神鹰碳纤维有限责任公司，突破干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术，实现了国产碳纤维的批量供应，填补了国内以干喷湿纺工艺为代表的高性能碳纤维生产技术空白，打破了国外高性能碳纤维企业对中国市场的长期垄断。
1982年毕业留校工作起，陈惠芳就瞄准了碳纤维研究这件事。她告诉记者，我国碳纤维市场长期处于进口产品垄断状态，高昂的进口价格和严苛的技术封锁严重制约着我国碳纤维的发展。“我就不相信咱中国人造不出高质量的高性能碳纤维！”
上世纪80年代至今，从创建新中国第一个“化学纤维”专业的钱宝钧教授，到潜心攻克高纯航天粘胶基碳纤维难题的潘鼎教授，一代代东华材料人的接力棒交到了陈惠芳手上，任重而道远。
几十年如一日，功夫不负有心人，陈惠芳科研团队联合企业不断摸索、反复实验，终于突破了制备高性能碳纤维的先进技术——干喷湿纺。干喷湿纺工艺被认为是今后碳纤维生产的主流工艺，但也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术，目前国际上仅有日本的个别公司掌握这一工艺。
碳纤维纺丝材料
这一关键技术突破使得纺丝速度可以达到每分钟400米以上，是传统湿法纺丝的5倍。同时，他们还开发出一系列成套技术，最终我国首个采用干喷湿纺工艺的千吨级碳纤维生产线正式投产，产品性能与国际同类产品相当。如今，这条生产线每年能生产近5000吨原丝和2000吨碳丝，产品实现了产业化并批量供应市场，极大促进了国内碳纤维复合材料产业的发展。
大飞机、新能源车都大有用武之地
科学研究没有捷径，陈惠芳带领团队做过成千上万次实验，也失败过无数次，但是从没有想过放弃，因为一旦放弃，所有的努力都白费了。
“陈老师做科研真的很拼！”团队里最年轻的博士后巨安奇连连感叹。大夏天，在没有空调的高性能碳纤维工程基地，穿着工作服进去没一会儿就湿了一身的汗，而陈老师带着他们一干就是一整天。由于原丝的纺丝过程中不能间断，而且需要四五个人员实时监控，及时排除纺丝过程中的问题，有时候完成一次实验就要从一大早忙到凌晨一两点，陈老师从来没喊过苦喊过累。
天性乐观的她说，一想到纺丝纺得好、工艺有突破，心里别提多开心了，哪还记得那些苦啊。这股拼劲也影响着团队的每个人，大家把寒暑假、节假日能挤出来的时间都花在了反复实验和研究中。比如，为实现干喷湿纺工艺中的高倍拉伸，团队自行设计、研制了高压蒸汽拉伸机。为了达到最优的实验结果，对机器也是不断调整、精益求精，光是高压蒸汽拉伸机就革新了四代。
陈惠芳表示，未来高性能碳纤维在大飞机、新能源汽车等领域都有着极好应用前景，而高性能碳纤维要实现完全自主国产化依旧需要不断地技术攻关，她希望能用毕生精力去圆这个中国梦。
校企像碳纤维一样拧成一股丝
在联合攻关过程中，陈惠芳带着团队经常往返于上海、连云港两地，在企业车间机器声轰鸣的生产线上紧盯每一道工序，从前到后有3000多个工艺点。因为一些实验室里的小问题一旦摆到生产线上就会被放大，一旦哪个工艺点参数发生了变动，碳纤维质量马上就不行了。
陈惠芳（左）在实验中
“我们做的只是实验室的一件小事，在实验室把基础理论研究做通做透，攻克技术难题，高性能碳纤维产业化的大事要交给企业去完成，去给社会创造更大效益！”对于干喷湿纺这一关键技术的突破，陈惠芳轻描淡写地说道，自己只是做了科研人员该做的事，从实验室到市场的“最后一公里”需要有担当有实力的企业去打通。
而在此次国家科技进步奖评审的答辩中，项目第一完成单位、中复神鹰碳纤维有限责任公司董事长张国良却把这份荣誉归功高校：“企业产业化的突破离不开东华大学老师们的基础理论研究和技术攻克。”正是这样产学合作和协同创新，让校企像碳纤维一样拧成了一股丝。
碳纤维是高性能复合材料发展的基础，碳纤维的制备和加工的技术突破，也能极大的促进碳纤维相关的复合材料的技术发展和应用推广。我们感谢这些科技工作者的辛苦付出，也加紧努力，以期获得更大的突破和进步。
一根仅有头发丝十分之一粗细的高性能碳纤维，拉伸强度却可以达到钢的7到9倍，而比重仅有钢的四分之一；在几千度的高温下，别的纤维早已化为灰烬，它却纹丝不动——这样的神奇纤维，成了当今航空航天、国防军用、建筑、交通、体育休闲等领域的高新材料。就是这样的材料在今年的国家科技奖上大放光彩，相应的技术分别获得了国家技术发明一等奖和科技进步一等奖。
碳纤维材料是新材料领域中的热门材料，通常指含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维复合材料，但制约碳纤维大范围使用的因素，除了其成本高昂外，加工难度的问题也是一大方面。2018年伊始，国家技术发明奖一等奖中，出现了碳纤维加工相关的方向：高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备。国家科技进步一等奖中，出现了碳纤维产业化相关的方向：干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用。
国家技术发明一等奖：高性能碳纤维复合材料构件高效加工技术与装备
在航空、航天、交通等高端装备制造领域，有“一克重就是一克金”的说法，材料越轻结构工作效能越高。目前国际通用的碳纤维复合材料可以显著提高装备性能，但加工过程极易产生损伤，制约其广泛应用。
2017年度国家技术发明一等奖授予大连理工大学贾振元团队，表彰其发明的“高性能碳纤维复合材料构件高质高效加工技术与装备”解决了碳纤维复合材料构件高质高效加工难题，将我国碳纤维复合材料构件加工技术水平推进到国际前沿。
航空、航天、交通等领域高端装备是国家制造水平和综合实力的集中体现，碳纤维增强树脂基复合材料（以下简称碳纤维复合材料）可以为高端装备减重增效，具有非同寻常的战略意义。
然而这种材料是典型的难加工材料，加工过程中极易产生毛刺、撕裂、分层等加工损伤，难以满足碳纤维复合材料构件的高性能要求，制约了这种高性能材料的推广应用，限制了装备性能的提升。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：那么研究它（复合材料）加工过程中，它的损伤到底是怎么产生的，把去除的机理搞清楚，把损伤的机制搞清楚，那么有了这个以后，来开发我们的加工工具，再开发我们的加工工艺，再开发我们的装备，那么整个按照这套方式，应该说，我们有一个比较源头创新的这样一个特点。
首先，贾振元团队揭示了碳纤维复合材料加工去除机理和加工损伤产生机制，提出了针对碳纤维复合材料加工的切削理论体系，实现了切削理论的源头创新。提出了“微元去除”和“反向剪切”加工损伤抑制原理，研制出三类9个系列制孔、铣削等系列加工工具。完全拥有自主知识产权的新工具，使碳纤维复合材料加工损伤由厘米量级减至0.1毫米以内，加工理论与技术进入国际领先水平。刀具寿命为进口产品的2-7倍，价格则降至1/6-1/4。 “微元去除” “反向剪切”等系列技术获多项发明专利。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：解决了一些基础的理论问题，我们的损伤是可以预测的，那么低损伤在可以预测这个理论指导下，开发的工具和工艺就实现了低损伤加工。通过这些办法，能够保证关键部件的性能，提高复合材料在航空、航天、交通运输等领域的推广应用，提高它的装备的性能，那是非常有意义的。
经过10多年攻关，团队研发出13台套高性能碳纤维复合材料数控加工工艺装备，成为我国航空航天多个重点型号关键复合材料构件加工的唯一装备，实现了从无法加工或手工加工到低损伤数字化加工的跨越。
成果已在航天一院、航天三院、中航工业、中国商飞等企业应用，突破了某新型航天装备舱段、某飞行器筒段、某系列直升机旋翼、某重型飞机调节板、大型客机机身筒段试验件、高铁车身试验件等关键复合材料构件高质高效加工难题，打破国外封锁。
项目第五完成人 航天材料及工艺研究所 研究员李兰柱：在复合材料这种部段，在它的技术标准里头，无损探伤是重要的一个指标。无论从航空和航天领域来说，复合材料的用量现在是一个航天装备的重要的一个标志性，属于衡量它先进性的重要指标之一。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：波音787，它（复合材料）的用量已经达到了50%。空客的A350，它（复合材料）的用量达到了52%。我们的ARJ21飞机，它用量现在是2%，下一步也要提高。我们的C919，大致的数量，设计的复合材料用量达到23%，所以这样的用量，对我们的加工的技术，提出了非常高的要求。
“一克重就是一克金”，从某种意义上说，航天装备的竞争就是材料的竞争、制造能力的竞争。随着新材料的更替，贾振元团队开创的复合材料加工理论体系仍将继续适应新的课题和挑战。
项目第一完成人 大连理工大学 教授贾振元：一代材料一代装备，那么一代材料就需要一代加工工艺，那么我们搞加工的人第一要紧跟装备的性能的需求，第二紧跟材料的发展，随着新的材料的出现，我相信通过我们科技人员，企业界的共同努力，我们的目标还是明确的，有需求我们要去做。
国家科技进步一等奖：干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用。
东华大学材料学院陈惠芳科研团队联合中复神鹰碳纤维有限责任公司，突破干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术，实现了国产碳纤维的批量供应，填补了国内以干喷湿纺工艺为代表的高性能碳纤维生产技术空白，打破了国外高性能碳纤维企业对中国市场的长期垄断。
1982年毕业留校工作起，陈惠芳就瞄准了碳纤维研究这件事。她告诉记者，我国碳纤维市场长期处于进口产品垄断状态，高昂的进口价格和严苛的技术封锁严重制约着我国碳纤维的发展。“我就不相信咱中国人造不出高质量的高性能碳纤维！”
上世纪80年代至今，从创建新中国第一个“化学纤维”专业的钱宝钧教授，到潜心攻克高纯航天粘胶基碳纤维难题的潘鼎教授，一代代东华材料人的接力棒交到了陈惠芳手上，任重而道远。
几十年如一日，功夫不负有心人，陈惠芳科研团队联合企业不断摸索、反复实验，终于突破了制备高性能碳纤维的先进技术——干喷湿纺。干喷湿纺工艺被认为是今后碳纤维生产的主流工艺，但也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术，目前国际上仅有日本的个别公司掌握这一工艺。
碳纤维纺丝材料
这一关键技术突破使得纺丝速度可以达到每分钟400米以上，是传统湿法纺丝的5倍。同时，他们还开发出一系列成套技术，最终我国首个采用干喷湿纺工艺的千吨级碳纤维生产线正式投产，产品性能与国际同类产品相当。如今，这条生产线每年能生产近5000吨原丝和2000吨碳丝，产品实现了产业化并批量供应市场，极大促进了国内碳纤维复合材料产业的发展。
大飞机、新能源车都大有用武之地
科学研究没有捷径，陈惠芳带领团队做过成千上万次实验，也失败过无数次，但是从没有想过放弃，因为一旦放弃，所有的努力都白费了。
“陈老师做科研真的很拼！”团队里最年轻的博士后巨安奇连连感叹。大夏天，在没有空调的高性能碳纤维工程基地，穿着工作服进去没一会儿就湿了一身的汗，而陈老师带着他们一干就是一整天。由于原丝的纺丝过程中不能间断，而且需要四五个人员实时监控，及时排除纺丝过程中的问题，有时候完成一次实验就要从一大早忙到凌晨一两点，陈老师从来没喊过苦喊过累。
天性乐观的她说，一想到纺丝纺得好、工艺有突破，心里别提多开心了，哪还记得那些苦啊。这股拼劲也影响着团队的每个人，大家把寒暑假、节假日能挤出来的时间都花在了反复实验和研究中。比如，为实现干喷湿纺工艺中的高倍拉伸，团队自行设计、研制了高压蒸汽拉伸机。为了达到最优的实验结果，对机器也是不断调整、精益求精，光是高压蒸汽拉伸机就革新了四代。
陈惠芳表示，未来高性能碳纤维在大飞机、新能源汽车等领域都有着极好应用前景，而高性能碳纤维要实现完全自主国产化依旧需要不断地技术攻关，她希望能用毕生精力去圆这个中国梦。
校企像碳纤维一样拧成一股丝
在联合攻关过程中，陈惠芳带着团队经常往返于上海、连云港两地，在企业车间机器声轰鸣的生产线上紧盯每一道工序，从前到后有3000多个工艺点。因为一些实验室里的小问题一旦摆到生产线上就会被放大，一旦哪个工艺点参数发生了变动，碳纤维质量马上就不行了。
陈惠芳（左）在实验中
“我们做的只是实验室的一件小事，在实验室把基础理论研究做通做透，攻克技术难题，高性能碳纤维产业化的大事要交给企业去完成，去给社会创造更大效益！”对于干喷湿纺这一关键技术的突破，陈惠芳轻描淡写地说道，自己只是做了科研人员该做的事，从实验室到市场的“最后一公里”需要有担当有实力的企业去打通。
而在此次国家科技进步奖评审的答辩中，项目第一完成单位、中复神鹰碳纤维有限责任公司董事长张国良却把这份荣誉归功高校：“企业产业化的突破离不开东华大学老师们的基础理论研究和技术攻克。”正是这样产学合作和协同创新，让校企像碳纤维一样拧成了一股丝。
碳纤维是高性能复合材料发展的基础，碳纤维的制备和加工的技术突破，也能极大的促进碳纤维相关的复合材料的技术发展和应用推广。我们感谢这些科技工作者的辛苦付出，也加紧努力，以期获得更大的突破和进步。
