原文：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=5135 編者按
美英日的碳纖維產業(yè)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(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(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(zhàn)略產業(yè)，政府確定將復合材料作為未來幾十年制造業(yè)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(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，當我們回看中國碳纖維的發(fā)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(zhàn)；1986年，吉林化學工業(yè)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(fā)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(yè)建設浪潮；再到今天的“擴產能、求生存、謀發(fā)展、待破局的復雜局面”。我們的產業(yè)何去何從？確實值得行業(yè)同仁深刻反思，……。
感謝作者周宏同志授權我們及盟友媒體發(fā)布其文章，同時也感謝《合成纖維》與《產業(yè)用紡織品》編輯部的支持。除了英國歷史，我們將陸續(xù)刊登周宏同志撰寫的“美國高性能碳纖維技術發(fā)展史研究”，“日本碳纖維技術發(fā)展史”等系列，敬請期待。
周宏同志策劃的一套《高性能纖維技術叢書》共16冊，由國防工業(yè)出版社出版，部分已經或即將出版的有9冊，周宏同志親自撰寫的《高性能纖維技術發(fā)展研究》 ，上述提到的各國碳纖維歷史是書中的部分內容，即將出版，希望得到廣大同行的支持！
英國盡管在當今全球碳纖維領域聲名并不顯赫，但在20世紀60-80年代的世界高性能碳纖維技術研發(fā)熱潮中，它卻是一位重要角色。高性能碳纖維基礎研究奠基人、“石墨晶須（graphite whiskers）”發(fā)現(xiàn)者羅格·貝肯（Roger Bacon）1986年在《碳纖維：從白熾燈燈絲到外太空》一文中指出，由于當時聚丙烯腈纖維中存在很多不能正確聚合的共聚單體和雜質，所以早期的PAN基碳纖維不可能是高強高模的；瓦特最先發(fā)明了適宜于轉化為高性能PAN基碳纖維的聚丙烯腈前驅體纖維，并制備出了真正意義上的高強高模碳纖維。1988年德國出版的《工業(yè)芳烴化學-原料制品（Industrial Aromatic Chemistry –Raw Materials Processes Products）》一書中關于碳纖維技術的內容，強調1961年英國生產出了高水平的PAN基碳纖維，而對日本的相關進展只字未提?？梢?，英國在高性能碳纖維技術發(fā)展中曾居領先地位。
英國PAN基碳纖維技術發(fā)展史上發(fā)生過的兩件大事，對世界和英國碳纖維技術發(fā)展產生了重大影響。一件是瓦特研究揭示了PAN 纖維性能與PAN基碳纖維性能的聯(lián)系，發(fā)明了優(yōu)質PAN前驅體纖維，制備出了高模型和高強中模型PAN基碳纖維。該專利轉讓給了美國和日本，日本東麗公司籍此在后續(xù)發(fā)展中勝出，極大地促進了全球PAN基碳纖維技術的快速發(fā)展。另一件是羅爾斯羅伊斯航空發(fā)動機公司((Rolls-Royce plc,下文稱羅羅公司)率先采用碳纖維增強樹脂(CFRP)技術研制飛機發(fā)動機進氣葉片，但遭遇慘敗，英國碳纖維技術和產業(yè)受此影響，發(fā)展停滯。
瓦特的主要貢獻
瓦特生于英國蘇格蘭，就讀于愛丁堡赫瑞瓦特大學(Heriot-Watt University, Edinburgh)。此間，他還參加了倫敦大學(University of London)的外部考試，以一等榮譽獲化學學士學位。1936年6月，他加入了位于英格蘭范堡羅空軍基地內的英國皇家飛機研究中心，從事氧化碳化、熱裂解石墨、石墨抗?jié)B核燃料罐和鑄造碳粉等研究。1960年被任命為首席科學家(Senior Principle Scientific Officer)，1963年開始從事PAN 基碳纖維研究，直至1975 年退休。1975—1985 年，他在英國薩里大學(University of Surrey)從事碳纖維表面處理技術研究。因成績卓著，1968年瓦特獲英國政府技術部詹姆斯·沃爾夫最佳科研獎(James Wolfe Award for the best research in the Ministry of Technology)；1969年獲大英帝國勛章(O.B.E.)，同年獲英國宇航學會(Royal Aeronautic Society)銀質獎章；1971年因獲取到大量的熱裂解碳樣本和制備出高度取向的PAN 纖維，獲美國碳材料學會第二屆“查爾斯E. 皮提諾斯獎(Charles E. PettinosAward)”；1976年當選英國皇家學會院士(Fellow of the Royal Society) 。
瓦特的PAN基碳纖維研究基本概況
由于當時已認識到纖維可以增強樹脂，1963年皇家飛機研究中心化學物理金屬材料研究部(Chemical, Physics and metallurgy Department at R.A.E.Farnborough)開始研究用石棉纖維(強度2.8GPa、模量170 GPa)作樹脂增強體，但瓦特認為，石棉不能制成長絲，不是好的樹脂增強體；而碳纖維可制成長絲，只要提高其強度和模量，就能成為非常好的樹脂增強體；石墨晶須的性能，就是碳纖維的技術目標，而黏膠基碳纖維與石墨晶須間性能差距巨大(見表1)。1963年，瓦特決心尋求新的技術途徑去彌合這一差距。
石墨晶須是碳片層沿長度軸卷繞而成的，其高度的取向性結構形成了高模性質。為使碳纖維的性能盡可能地逼近石墨晶須，瓦特嘗試通過碳化有機纖維使石墨基面沿纖維軸向形成高取向的多晶質結構。他選取了人造纖維素、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇和PAN等纖維，測試它們的碳遺留和在惰性環(huán)境中熱裂解時的不熔性。
瓦特受到了“黑奧綸(BlackOrlon)”研究的啟發(fā)。侯茨(Houtz)將美國杜邦公司奧綸(Orlon)品牌的PAN纖維加熱到200 ℃，纖維最終變?yōu)楹谏也蝗苡谌軇┑?ldquo;黑奧綸”。侯茨曾演示將“黑奧綸”放在本生燈火焰上，它不熔融、不變形，只發(fā)出熾熱的紅光。瓦特覺得，侯茨演示的就是PAN纖維熱裂解為碳纖維的過程，其間，發(fā)生了脫氫反應，形成了雜環(huán)、稠環(huán)物質，見下圖。
瓦特用當時市售的英國考陶爾茲公司(Courtaulds Ltd)考特樂(Courtelle)品牌的4.95dtex PAN纖維做試驗，得到了比玻璃纖維模量還高的碳纖維。隨后，考陶爾茲公司提供了未加卷曲、不含消光劑(TiO2 )的3.3dtex PAN 纖維，瓦特對其進行氧化和1000 ℃碳化，得到了模量150GPa 的碳纖維；再經2500 ℃碳化，得到模量380GPa的碳纖維(石墨纖維)。研究顯示，所得到的碳纖維與酚醛和聚乙烯樹脂的結合性能很好。此時，瓦特感覺自己要贏了。
瓦特揭示了PAN纖維穩(wěn)定化過程中的氧化擴散控制機制和氧化中對纖維施加張力以提高碳纖維模量的機制?？諝庵袩崽幚鞵AN纖維，發(fā)生了氧化作用，去除了氧，使纖維得以穩(wěn)定化；觀察氧化纖維的橫截面，其外部環(huán)圈呈褐色，中央核心區(qū)域呈奶油色霜染狀；環(huán)圈厚度與氧化時間的平方根成正比，這與生成金屬表面氧化膜采用的擴散控制工藝類似。PAN纖維生產過程中，在100~150 ℃對其進行過牽伸，使PAN分子鏈伸展取向，因此PAN纖維的熱處理溫度高于其牽伸溫度時，PAN分子鏈收縮，熵增大，纖維長度收縮。為克服收縮，需要在氧化時施加張力，而在張力狀態(tài)下氧化，又恰恰對提高碳纖維的模量有重要作用。
瓦特最初將PAN纖維纏繞在石墨或玻璃框架上，使纖維保持張力進行氧化；此后，他研制了實驗室裝置，以研究連續(xù)纖維的預氧化工藝。氧化3.3 dtex(100根絲束)的考特樂PAN纖維時，瓦特測量了其不同拉伸載荷下的長度變化，以及1 000 ℃和2 500 ℃碳化得到的碳纖維模量，結果表明：氧化過程中，纖維是穩(wěn)定的，后續(xù)處理中無需限制其長度收縮。2 500 ℃不施加張力碳化，纖維長度方向收縮13%，直徑收縮35%；220 ℃張力下氧化3.3dtex 的考特樂PAN 纖維，長度增加0~40%；1000 ℃和2500 ℃無張力碳化得到的碳纖維，模量分別為155~190GPa 和350~420GPa。瓦特發(fā)現(xiàn)，氧化中限制或牽伸纖維，對提高碳纖維模量具有重要影響。
1968年4月24日，瓦特獲得的英國專利(專利號1110791)中申明了4項技術要點：
①氧化溫度應低于熱逸散溫度；
②必須使PAN纖維得到充分氧化；
③氧化中，必須限制纖維長度收縮，或對纖維施加張力；
④預氧化后，碳化和后處理時，無需對纖維施加張力。
有兩項日本專利比瓦特的專利時間更早，其中雖提到了在空氣中220 ℃氧化，但未提及模量的形成和施加張力下氧化。另有研究表明：2750 ℃下熱牽伸可改進層面取向，且可將熱裂解石墨的模量提高到560GPa；但這樣的高溫使加熱爐壽命大幅縮短，導致制造成本大幅增加。所以瓦特發(fā)明了比較經濟的較低熱處理溫度、較短熱處理時間和不施加張力的碳纖維制造技術。
期間，英國原子能研究中心[Atomic Energy ResearchEstablishment (A.E.R.E)]也開展了碳纖維研究，并研制了中試裝置。皇家飛機研究中心和英國原子能研究中心對英國高性能碳纖維技術的研究發(fā)展做出了重要貢獻，他們的技術轉讓給了摩根坩堝公司(Morganite R&D Ltd)、考陶爾茲公司和羅羅公司等三家英國企業(yè)。1966年摩根坩堝研發(fā)公司和考陶爾茲公司分別建設了碳纖維生產線。摩根坩堝研發(fā)公司是碳材料和耐火陶瓷生產企業(yè)，1967年就開始生產銷售HodmorI型碳纖維?？继諣柶澒臼荘AN前驅體纖維制造商，后引入碳化技術制造碳纖維。羅羅公司獨立研發(fā)了碳纖維試制裝置，并計劃建立生產線?；始绎w機研究中心還展開了CFRP制造和評價的相關研究。
瓦特對PAN纖維預氧化的研究
試驗顯示，碳纖維模量隨熱處理溫度升高而提高；1200~1400 ℃熱處理，拉伸強度達到最大值，但更高的熱處理溫度會使其下降。瓦特確信，制造不同強度和模量的差別化碳纖維是可行的。他與利茲大學(University of Leeds)協(xié)作開展熱裂解反應和纖維結構相關性的研究，力求弄清楚加工中的化學變化、與碳纖維強度模量相關的纖維結構和結晶度、原材料和工藝參數(shù)等一切細節(jié)，以建立較完美的科學基礎。
瓦特研究了PAN纖維的氧化動力學特性。采用1.65 dtex考特樂纖維(以摩爾分數(shù)4.6%的丙烯酸甲酯和摩爾分數(shù)0.4%的亞甲基丁二酸作為共聚單體)和奧綸纖維(只以摩爾分數(shù)4.6%的丙烯酸甲酯作為共聚單體)為研究對象，將樣本放入230 ℃真空中熱處理6 h，纖維變?yōu)樯钽~褐色。由于PAN 纖維的無規(guī)聚合物結構，氰基相對于碳氫分子鏈隨機取向，形成了氰基環(huán)繞著平面多環(huán)結構的梯形聚合物。未經處理的奧綸纖維初始氧化速度緩慢，后續(xù)速度加快，纖維擁有均勻的橫截面；未經處理的考特樂纖維初始氧化速度很快，后續(xù)速度減慢，纖維截面有獨特的皮芯結構。奧綸纖維中梯形聚合物較慢的氧化速度，可能與氰基呈環(huán)繞狀態(tài)且缺乏引發(fā)位點有關。共聚單體中含有羧酸基團的考特樂纖維，反應引發(fā)非?？?，說明預氧化中，首先形成了梯形聚合物，氧化得以快速進行，過程變得擴散可控(見圖2)。PAN纖維預氧化形成梯形聚合物的化學特性和結構非常重要，因熱裂解溫度提高時，它能增加石墨結構的取向度。
依上述研究，瓦特提出了基于酮基形成和預氧化后PAN纖維中氧含量的纖維結構模型，并認為這種結構以大量的互變異構體形式存在(見圖3)。
總之，制造高模量碳纖維時，預氧化溫度應低于環(huán)化放熱溫度，以防止出現(xiàn)熱逸散，造成纖維收縮；預氧化后，形成了沿纖維軸取向的多環(huán)平面梯形結構；不同品牌的PAN纖維的預氧化特點不盡相同，并受到共聚單體雜質成分、纖維形狀和紡絲缺陷率等因素的影響。
瓦特對PAN纖維熱裂解與碳纖維模量關系的研究
瓦特用質譜儀分析氣體，用高分辨率電子顯微鏡觀察纖維結構，研究了考特樂和德壘尤(Draylon)兩種纖維熱裂解的化學過程。結果顯示，熱裂解分為兩個階段。第一階段在約450 ℃附近，產生氰化氫(HCN)等揮發(fā)性產物、丙烯腈等腈化物、氰化甲烷和乙基腈等物質，這些應是聚合物鏈上未梯形化部分發(fā)生反應的結果；該溫度范圍內有一個氨基(—NH 2 )峰，應是梯形末端序列芳構化形成的；300~400 ℃間，通過去除H 2O，預氧化纖維形成了簡單石墨結構(見圖4)。第二階段在500~1000 ℃間，約560 ℃出現(xiàn)氨基(—NH 2 )峰，約700℃出現(xiàn)HCN峰，應是發(fā)生了圖5所示的反應；由于梯形聚合物自身發(fā)生端到端的連接和邊到邊的縮合等反應，形成了更大的芳雜環(huán)結構；梯形聚合物反應生成的HCN導致了交聯(lián)反應和端基連接反應，并通過支鏈凝聚使梯形聚合物變得更大，形成的石墨結構中含有取代的氮(見圖6)。
約700 ℃時，發(fā)生了圖7所示的氮消去反應。試驗表明：1 000 ℃熱裂解后，碳纖維質量中含有5.8%的N；通過縮合反應除去N，隨著氮消去反應的完全，纖維的結構缺陷進一步減少；1 000~1 500 ℃間，絕大多數(shù)的殘留氮被去除，纖維模量從150 GPa提高到了240 GPa；1500~2 800 ℃熱處理，主要的結構變化是亂層石墨網(wǎng)絡形成；隨溫度升高，石墨結構重構、生長，石墨化程度提高，2700 ℃時，纖維模量增加到430~480 GPa。
瓦特發(fā)明的PAN 基高模量碳纖維的機制是：PAN原絲形成了螺旋鏈結構；預氧化后，形成了高度取向的平面多環(huán)結構；碳化中，生成了石墨結構。
瓦特對PAN基碳纖維強度的研究
碳纖維的拉伸強度與原子間的鍵強高度相關。一些試驗現(xiàn)象反映了影響碳纖維強度的原因：預氧化的PAN纖維經1200~1400 ℃熱處理后，得到的碳纖維的強度最大值達2.7GPa，但熱處理溫度進一步升高，得到的碳纖維的強度則下降；碳纖維拉伸強度與測試樣品長度相關，長度短，測得的拉伸強度高，如同一批經2 500 ℃熱處理的碳纖維，樣品長度分別為50 mm和5 mm，拉伸強度則分別為2.07 GPa和2.75 GPa；PAN纖維強度>1GPa（約為商用PAN纖維強度的兩倍）時，制得的碳纖維并沒有對應的強度提高，等等。瓦特認為：碳纖維強度與PAN纖維強度密切相關，但由于PAN纖維存在雜質或表面損傷，降低了碳纖維的強度。
瓦特將濕紡裝置放在空氣凈化器前紡絲，力求紡制不含雜質的PAN纖維?？諝鈨艋魈峁?00級的清潔空氣[粒徑≥0.5 μm的顆粒物數(shù)量<100個/ft(1ft=0.304 8 m)不存在粒徑>5 μm 的顆粒物]。作為對照，在實驗室環(huán)境(顆粒物數(shù)量約10 7 /m3 )中使用一臺同樣的紡絲裝置紡絲。采用經過濾(1.5 μm)和未經過濾的紡絲液分別紡絲，然后對4個批次的PAN纖維（強度0.5~0.6GPa）進行220 ℃、5 h連續(xù)長度的預氧化，再在氮氣中1 000 ℃碳化，最后在氬氣中1400~2500 ℃熱處理。
電鏡觀察發(fā)現(xiàn)：過濾紡絲液紡制的PAN纖維制得的碳纖維，斷裂原因是表面缺陷，纖維表面或裂紋表面存在斑點，與表面可見的雜質有對應關系；未過濾紡絲液紡制的PAN纖維經1400 ℃碳化得到的碳纖維，斷裂原因是內部缺陷或表面缺陷；2 500 ℃熱處理得到的碳纖維，斷裂出現(xiàn)在內部孔洞處，說明雜質揮發(fā)產生了孔洞。結果表明：PAN纖維中的雜質顆粒是影響碳纖維強力的主要原因，純凈的PAN纖維可避免最高溫度熱處理時的強度下降。
瓦特研究了污染顆粒物種類與碳纖維缺陷的關系。選擇實驗室和紡絲廠空氣粉塵中富含的炭黑、二氧化硅和三氧化二鐵顆粒作為雜質樣品，使其懸浮在空氣中并掉落在潔凈室中過濾紡絲液紡制的PAN纖維上。被雜質顆粒污染的PAN纖維樣品經1000~1400 ℃熱處理，得到的碳纖維的強度都達到了各自的最大值(1.9~2.5GPa)；再經2 500 ℃熱處理，強度下降到了1.0~1.5 GPa。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)：碳纖維的表面缺陷是由二氧化硅和三氧化二鐵顆粒在碳化時造成的；炭黑污染的纖維制成碳纖維后，纖維中沒有發(fā)現(xiàn)炭黑顆粒造成的裂紋，炭黑以碳顆粒形式松弛地附著在碳纖維表面；炭黑形成的灰分，有可能造成碳纖維缺陷。
研究表明：造成碳纖維缺陷的雜質存在于PAN纖維中，與紡絲液含雜或紡絲中和紡絲后的表面雜質沾染有關；缺陷主要由諸如鐵氧化物等無機雜質造成。缺陷在兩個階段產生：一是雜質與碳纖維間發(fā)生了化學反應；二是雜質顆粒造成纖維三維石墨區(qū)域形成了小的隨機取向。因此，要得到更高強度的碳纖維，必須徹底去除掉PAN纖維中的雜質。
羅羅公司對碳纖維增強復合材料技術發(fā)展的貢獻
羅羅公司是世界上最早開展高性能碳纖維在航空領域應用研究的企業(yè)。1967 年它就開始研制CFRP進氣風扇葉片，準備用于當時正在設計試制的最先進的渦扇飛機發(fā)動機。盡管這一探索不幸慘遭失敗，但羅羅公司對高性能碳纖維技術發(fā)展的貢獻是偉大的。為降低單座運營成本和實現(xiàn)跨洋飛行，1966年美國航空公司(AmericanAirlines)和東部航空公司(Eastern Airlines)都宣布要購買新型遠程客機。為此，美國洛克希德公司(Lockheed Corporation)和道格拉斯公司(Douglas Aircraft Company)分別設計了L-1011型三星號(TriStar)和DC-10型兩款寬體雙通道、載客約300人、可跨洋飛行的大型客機。這兩款新設計的大型客機都需要新型發(fā)動機。
當時，飛機發(fā)動機設計剛剛跨入高涵道比技術時代。高涵道比渦扇發(fā)動機推力大、噪音低、燃油經濟性好。為升級三叉戟型客機(Hawker Siddeley Trident)的動力系統(tǒng)，羅羅公司開始研制200 kN推力的RB178型高涵道比渦輪風扇發(fā)動機；同時，還在研發(fā)提高發(fā)動機效率的“三轉子”技術。RB系列飛機發(fā)動機由多種型號產品組成，采用羅羅公司創(chuàng)始人和研究設計工作所在地——巴諾茨威克(Barnoldswick)的第一個大寫英文字R和B命名。1967年6月，羅羅公司提出為洛克希德公司L-1011型客機研發(fā)推力148 kN 的RB211-06型發(fā)動機。技術方案是：在RB207與RB203兩型成熟發(fā)動機的基礎上，采用大型高功率、高涵道比和三轉子等新技術進行設計；同時還擬采用稱為“海菲爾(Hyfil)”的CFRP風扇葉片，以大幅度減輕風扇重量，提高單位質量功率(power-to-weight ratio)。1967年10月，道格拉斯公司也請羅羅公司為DC-10型客機研制推力157 kN的發(fā)動機。經過一系列復雜的前期準備，1968年初，新發(fā)動機型號確定為RB211-22，推力升到了181kN。1968年3月，洛克希德公司向羅羅公司訂購了150架L-1011型客機所需的該型發(fā)動機，要求1971年完成研制并供貨。
然而，羅羅公司大大低估了該型發(fā)動機的研制難度，錯誤測算了研制周期和研發(fā)經費需求，埋下了合同違約和研制經費嚴重超支而使公司破產的巨大伏筆。由于當時大型高功率、高涵道比、三轉子，特別是CFRP風扇葉片等都不是成熟技術，既要提升單一技術的成熟度，又要開展多項技術的集成研究，故研制中問題層出不窮。1969年秋，測試發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機推力不足，質量超重，油耗太高。對CFRP進氣風扇葉片的研究成果，當時還是很振奮人心的，大多數(shù)的應力和疲勞性能都達到了要求(見圖8)。但最終發(fā)現(xiàn)，這種葉片不能抵御“鳥撞擊(bird strike)”，也就是，雞那么大尺寸的鳥，以幾百英里的時速撞擊到發(fā)動機上，葉片就破碎了。1970年5月，凍雞撞擊試驗時，CFRP風扇葉片被撞成了碎片(見圖9)。幸好，當時備份了鈦合金風扇葉片的方案，但成本、質量和加工難度大增。
1970年9月，研制經費已達1.7億英鎊，超過預算一倍，羅羅公司資金鏈斷裂。1971年初，羅羅公司破產，嚴重影響了洛克希德公司L-1011型客機的生產。時任英國首相的艾德伍德·希斯(EdwardHeath)認為，RB211-22 型發(fā)動機技術非常先進，對英國產業(yè)與經濟具有潛在的重要戰(zhàn)略意義。他領導政府果斷出手，接管了羅羅公司，采取了投入資金支持繼續(xù)研發(fā)、協(xié)調美國政府安撫洛克希德公司、大幅度提高發(fā)動機售價等一系列措施，使羅羅公司和RB211-22型發(fā)動機項目得以重生。1971年5月新成立的羅羅公司(Rolls-Royce Ltd.)又經歷了一年的努力，終于在1972年4月14日完成了RB211-22型發(fā)動機的適航認證。1972年4月26日，裝配有RB211-22 型發(fā)動機的美國東方航空公司首架L-1011型客機投入了運營。
最終，RB211系列發(fā)動機取得了巨大成功，籍此，羅羅公司一躍成為了世界飛機發(fā)動機技術的領導者。20世紀90年代起，以該型發(fā)動機技術為基礎研發(fā)的“瑞達(Trent)”系列飛機發(fā)動機，成為了現(xiàn)在人們十分熟悉的波音747、757、767和787等飛機的專屬發(fā)動機。
羅羅公司的浴火重生，成就了英國的飛機發(fā)動機技術和產業(yè)，但卻使英國的碳纖維技術和產業(yè)從此一蹶不振。用前首相溫斯頓·丘吉爾(WinstonChurchill)的名言——“終結于開始(Endof the beginning)”，英國人解嘲地歸納了英國PAN基碳纖維技術的結局。英國碳纖維技術由盛到衰，教訓值得深思并以此為鑒。
瓦特對PAN碳纖維技術發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻。他最早認識到PAN原絲性能質量對碳纖維性能的形成具有決定性影響；并以不同品牌的市售PAN纖維為樣品，研究其預氧化和碳化中的化學反應及分子結構變遷，發(fā)現(xiàn)了PAN基碳纖維前驅體纖維的結構特性；研究了紡絲工藝技術條件，制備出了性能優(yōu)異的PAN前軀體纖維，首次制得了真正意義上的高性能PAN基碳纖維。瓦特等人創(chuàng)建的PAN基碳纖維科學研究方法和技術基礎，盡管沒能幫助英國在該領域取得成功，但卻極大地促進了世界PAN基碳纖維技術的快速發(fā)展。
CFRP風扇進氣葉片研發(fā)慘遭失敗，其原因是羅羅公司RB211型渦扇飛機發(fā)動機的設計方案與技術決策失誤造成的。設計方案失誤在：將大型高功率、高涵道比、三轉子和CFPR葉片等四項技術成熟度均偏低的新技術，同時集成于復雜、先進、精確的飛機發(fā)動機系統(tǒng)中，任何一項技術的缺陷都會導致系統(tǒng)的崩潰；而且，“當時要制造CFRP葉片實在是獨樹一幟，太超前了。”在碳纖維和CFRP技術均不成熟時，貿然研制亟待實用的CFRP葉片產品，技術風險之大是難以想象的。技術決策失誤在：忽視項目的高風險、高投入、高耗時性質，試驗研究和經驗積累不夠，資金和時間準備不足。（全文完）
(致謝：感謝中國科學院化學研究所劉瑞剛研究員和哈爾濱工業(yè)大學胡楨教授，對本文涉及高分子科學和化學的內容給予了指正。) 文章來源：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=5135
美英日的碳纖維產業(yè)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(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(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(zhàn)略產業(yè)，政府確定將復合材料作為未來幾十年制造業(yè)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(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，當我們回看中國碳纖維的發(fā)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(zhàn)；1986年，吉林化學工業(yè)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(fā)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(yè)建設浪潮；再到今天的“擴產能、求生存、謀發(fā)展、待破局的復雜局面”。我們的產業(yè)何去何從？確實值得行業(yè)同仁深刻反思，……。
感謝作者周宏同志授權我們及盟友媒體發(fā)布其文章，同時也感謝《合成纖維》與《產業(yè)用紡織品》編輯部的支持。除了英國歷史，我們將陸續(xù)刊登周宏同志撰寫的“美國高性能碳纖維技術發(fā)展史研究”，“日本碳纖維技術發(fā)展史”等系列，敬請期待。
周宏同志策劃的一套《高性能纖維技術叢書》共16冊，由國防工業(yè)出版社出版，部分已經或即將出版的有9冊，周宏同志親自撰寫的《高性能纖維技術發(fā)展研究》 ，上述提到的各國碳纖維歷史是書中的部分內容，即將出版，希望得到廣大同行的支持！
英國碳纖維技術早期發(fā)展史研究——英國碳纖維技術由盛到衰，教訓值得深思
作者：周宏（軍事科學院）
原載于《合成纖維》與《產業(yè)用紡織品》
作者：周宏（軍事科學院）
原載于《合成纖維》與《產業(yè)用紡織品》
英國盡管在當今全球碳纖維領域聲名并不顯赫，但在20世紀60-80年代的世界高性能碳纖維技術研發(fā)熱潮中，它卻是一位重要角色。高性能碳纖維基礎研究奠基人、“石墨晶須（graphite whiskers）”發(fā)現(xiàn)者羅格·貝肯（Roger Bacon）1986年在《碳纖維：從白熾燈燈絲到外太空》一文中指出，由于當時聚丙烯腈纖維中存在很多不能正確聚合的共聚單體和雜質，所以早期的PAN基碳纖維不可能是高強高模的；瓦特最先發(fā)明了適宜于轉化為高性能PAN基碳纖維的聚丙烯腈前驅體纖維，并制備出了真正意義上的高強高模碳纖維。1988年德國出版的《工業(yè)芳烴化學-原料制品（Industrial Aromatic Chemistry –Raw Materials Processes Products）》一書中關于碳纖維技術的內容，強調1961年英國生產出了高水平的PAN基碳纖維，而對日本的相關進展只字未提?？梢?，英國在高性能碳纖維技術發(fā)展中曾居領先地位。
英國PAN基碳纖維技術發(fā)展史上發(fā)生過的兩件大事，對世界和英國碳纖維技術發(fā)展產生了重大影響。一件是瓦特研究揭示了PAN 纖維性能與PAN基碳纖維性能的聯(lián)系，發(fā)明了優(yōu)質PAN前驅體纖維，制備出了高模型和高強中模型PAN基碳纖維。該專利轉讓給了美國和日本，日本東麗公司籍此在后續(xù)發(fā)展中勝出，極大地促進了全球PAN基碳纖維技術的快速發(fā)展。另一件是羅爾斯羅伊斯航空發(fā)動機公司((Rolls-Royce plc,下文稱羅羅公司)率先采用碳纖維增強樹脂(CFRP)技術研制飛機發(fā)動機進氣葉片，但遭遇慘敗，英國碳纖維技術和產業(yè)受此影響，發(fā)展停滯。
瓦特的主要貢獻
威廉姆·瓦特
瓦特生于英國蘇格蘭，就讀于愛丁堡赫瑞瓦特大學(Heriot-Watt University, Edinburgh)。此間，他還參加了倫敦大學(University of London)的外部考試，以一等榮譽獲化學學士學位。1936年6月，他加入了位于英格蘭范堡羅空軍基地內的英國皇家飛機研究中心，從事氧化碳化、熱裂解石墨、石墨抗?jié)B核燃料罐和鑄造碳粉等研究。1960年被任命為首席科學家(Senior Principle Scientific Officer)，1963年開始從事PAN 基碳纖維研究，直至1975 年退休。1975—1985 年，他在英國薩里大學(University of Surrey)從事碳纖維表面處理技術研究。因成績卓著，1968年瓦特獲英國政府技術部詹姆斯·沃爾夫最佳科研獎(James Wolfe Award for the best research in the Ministry of Technology)；1969年獲大英帝國勛章(O.B.E.)，同年獲英國宇航學會(Royal Aeronautic Society)銀質獎章；1971年因獲取到大量的熱裂解碳樣本和制備出高度取向的PAN 纖維，獲美國碳材料學會第二屆“查爾斯E. 皮提諾斯獎(Charles E. PettinosAward)”；1976年當選英國皇家學會院士(Fellow of the Royal Society) 。
瓦特的PAN基碳纖維研究基本概況
由于當時已認識到纖維可以增強樹脂，1963年皇家飛機研究中心化學物理金屬材料研究部(Chemical, Physics and metallurgy Department at R.A.E.Farnborough)開始研究用石棉纖維(強度2.8GPa、模量170 GPa)作樹脂增強體，但瓦特認為，石棉不能制成長絲，不是好的樹脂增強體；而碳纖維可制成長絲，只要提高其強度和模量，就能成為非常好的樹脂增強體；石墨晶須的性能，就是碳纖維的技術目標，而黏膠基碳纖維與石墨晶須間性能差距巨大(見表1)。1963年，瓦特決心尋求新的技術途徑去彌合這一差距。
瓦特受到了“黑奧綸(BlackOrlon)”研究的啟發(fā)。侯茨(Houtz)將美國杜邦公司奧綸(Orlon)品牌的PAN纖維加熱到200 ℃，纖維最終變?yōu)楹谏也蝗苡谌軇┑?ldquo;黑奧綸”。侯茨曾演示將“黑奧綸”放在本生燈火焰上，它不熔融、不變形，只發(fā)出熾熱的紅光。瓦特覺得，侯茨演示的就是PAN纖維熱裂解為碳纖維的過程，其間，發(fā)生了脫氫反應，形成了雜環(huán)、稠環(huán)物質，見下圖。
瓦特用當時市售的英國考陶爾茲公司(Courtaulds Ltd)考特樂(Courtelle)品牌的4.95dtex PAN纖維做試驗，得到了比玻璃纖維模量還高的碳纖維。隨后，考陶爾茲公司提供了未加卷曲、不含消光劑(TiO2 )的3.3dtex PAN 纖維，瓦特對其進行氧化和1000 ℃碳化，得到了模量150GPa 的碳纖維；再經2500 ℃碳化，得到模量380GPa的碳纖維(石墨纖維)。研究顯示，所得到的碳纖維與酚醛和聚乙烯樹脂的結合性能很好。此時，瓦特感覺自己要贏了。
瓦特揭示了PAN纖維穩(wěn)定化過程中的氧化擴散控制機制和氧化中對纖維施加張力以提高碳纖維模量的機制?？諝庵袩崽幚鞵AN纖維，發(fā)生了氧化作用，去除了氧，使纖維得以穩(wěn)定化；觀察氧化纖維的橫截面，其外部環(huán)圈呈褐色，中央核心區(qū)域呈奶油色霜染狀；環(huán)圈厚度與氧化時間的平方根成正比，這與生成金屬表面氧化膜采用的擴散控制工藝類似。PAN纖維生產過程中，在100~150 ℃對其進行過牽伸，使PAN分子鏈伸展取向，因此PAN纖維的熱處理溫度高于其牽伸溫度時，PAN分子鏈收縮，熵增大，纖維長度收縮。為克服收縮，需要在氧化時施加張力，而在張力狀態(tài)下氧化，又恰恰對提高碳纖維的模量有重要作用。
瓦特最初將PAN纖維纏繞在石墨或玻璃框架上，使纖維保持張力進行氧化；此后，他研制了實驗室裝置，以研究連續(xù)纖維的預氧化工藝。氧化3.3 dtex(100根絲束)的考特樂PAN纖維時，瓦特測量了其不同拉伸載荷下的長度變化，以及1 000 ℃和2 500 ℃碳化得到的碳纖維模量，結果表明：氧化過程中，纖維是穩(wěn)定的，后續(xù)處理中無需限制其長度收縮。2 500 ℃不施加張力碳化，纖維長度方向收縮13%，直徑收縮35%；220 ℃張力下氧化3.3dtex 的考特樂PAN 纖維，長度增加0~40%；1000 ℃和2500 ℃無張力碳化得到的碳纖維，模量分別為155~190GPa 和350~420GPa。瓦特發(fā)現(xiàn)，氧化中限制或牽伸纖維，對提高碳纖維模量具有重要影響。
1968年4月24日，瓦特獲得的英國專利(專利號1110791)中申明了4項技術要點：
①氧化溫度應低于熱逸散溫度；
②必須使PAN纖維得到充分氧化；
③氧化中，必須限制纖維長度收縮，或對纖維施加張力；
④預氧化后，碳化和后處理時，無需對纖維施加張力。
有兩項日本專利比瓦特的專利時間更早，其中雖提到了在空氣中220 ℃氧化，但未提及模量的形成和施加張力下氧化。另有研究表明：2750 ℃下熱牽伸可改進層面取向，且可將熱裂解石墨的模量提高到560GPa；但這樣的高溫使加熱爐壽命大幅縮短，導致制造成本大幅增加。所以瓦特發(fā)明了比較經濟的較低熱處理溫度、較短熱處理時間和不施加張力的碳纖維制造技術。
期間，英國原子能研究中心[Atomic Energy ResearchEstablishment (A.E.R.E)]也開展了碳纖維研究，并研制了中試裝置。皇家飛機研究中心和英國原子能研究中心對英國高性能碳纖維技術的研究發(fā)展做出了重要貢獻，他們的技術轉讓給了摩根坩堝公司(Morganite R&D Ltd)、考陶爾茲公司和羅羅公司等三家英國企業(yè)。1966年摩根坩堝研發(fā)公司和考陶爾茲公司分別建設了碳纖維生產線。摩根坩堝研發(fā)公司是碳材料和耐火陶瓷生產企業(yè)，1967年就開始生產銷售HodmorI型碳纖維?？继諣柶澒臼荘AN前驅體纖維制造商，后引入碳化技術制造碳纖維。羅羅公司獨立研發(fā)了碳纖維試制裝置，并計劃建立生產線?；始绎w機研究中心還展開了CFRP制造和評價的相關研究。
瓦特對PAN纖維預氧化的研究
試驗顯示，碳纖維模量隨熱處理溫度升高而提高；1200~1400 ℃熱處理，拉伸強度達到最大值，但更高的熱處理溫度會使其下降。瓦特確信，制造不同強度和模量的差別化碳纖維是可行的。他與利茲大學(University of Leeds)協(xié)作開展熱裂解反應和纖維結構相關性的研究，力求弄清楚加工中的化學變化、與碳纖維強度模量相關的纖維結構和結晶度、原材料和工藝參數(shù)等一切細節(jié)，以建立較完美的科學基礎。
瓦特研究了PAN纖維的氧化動力學特性。采用1.65 dtex考特樂纖維(以摩爾分數(shù)4.6%的丙烯酸甲酯和摩爾分數(shù)0.4%的亞甲基丁二酸作為共聚單體)和奧綸纖維(只以摩爾分數(shù)4.6%的丙烯酸甲酯作為共聚單體)為研究對象，將樣本放入230 ℃真空中熱處理6 h，纖維變?yōu)樯钽~褐色。由于PAN 纖維的無規(guī)聚合物結構，氰基相對于碳氫分子鏈隨機取向，形成了氰基環(huán)繞著平面多環(huán)結構的梯形聚合物。未經處理的奧綸纖維初始氧化速度緩慢，后續(xù)速度加快，纖維擁有均勻的橫截面；未經處理的考特樂纖維初始氧化速度很快，后續(xù)速度減慢，纖維截面有獨特的皮芯結構。奧綸纖維中梯形聚合物較慢的氧化速度，可能與氰基呈環(huán)繞狀態(tài)且缺乏引發(fā)位點有關。共聚單體中含有羧酸基團的考特樂纖維，反應引發(fā)非?？?，說明預氧化中，首先形成了梯形聚合物，氧化得以快速進行，過程變得擴散可控(見圖2)。PAN纖維預氧化形成梯形聚合物的化學特性和結構非常重要，因熱裂解溫度提高時，它能增加石墨結構的取向度。
依上述研究，瓦特提出了基于酮基形成和預氧化后PAN纖維中氧含量的纖維結構模型，并認為這種結構以大量的互變異構體形式存在(見圖3)。
總之，制造高模量碳纖維時，預氧化溫度應低于環(huán)化放熱溫度，以防止出現(xiàn)熱逸散，造成纖維收縮；預氧化后，形成了沿纖維軸取向的多環(huán)平面梯形結構；不同品牌的PAN纖維的預氧化特點不盡相同，并受到共聚單體雜質成分、纖維形狀和紡絲缺陷率等因素的影響。
瓦特對PAN纖維熱裂解與碳纖維模量關系的研究
瓦特用質譜儀分析氣體，用高分辨率電子顯微鏡觀察纖維結構，研究了考特樂和德壘尤(Draylon)兩種纖維熱裂解的化學過程。結果顯示，熱裂解分為兩個階段。第一階段在約450 ℃附近，產生氰化氫(HCN)等揮發(fā)性產物、丙烯腈等腈化物、氰化甲烷和乙基腈等物質，這些應是聚合物鏈上未梯形化部分發(fā)生反應的結果；該溫度范圍內有一個氨基(—NH 2 )峰，應是梯形末端序列芳構化形成的；300~400 ℃間，通過去除H 2O，預氧化纖維形成了簡單石墨結構(見圖4)。第二階段在500~1000 ℃間，約560 ℃出現(xiàn)氨基(—NH 2 )峰，約700℃出現(xiàn)HCN峰，應是發(fā)生了圖5所示的反應；由于梯形聚合物自身發(fā)生端到端的連接和邊到邊的縮合等反應，形成了更大的芳雜環(huán)結構；梯形聚合物反應生成的HCN導致了交聯(lián)反應和端基連接反應，并通過支鏈凝聚使梯形聚合物變得更大，形成的石墨結構中含有取代的氮(見圖6)。
瓦特對PAN基碳纖維強度的研究
碳纖維的拉伸強度與原子間的鍵強高度相關。一些試驗現(xiàn)象反映了影響碳纖維強度的原因：預氧化的PAN纖維經1200~1400 ℃熱處理后，得到的碳纖維的強度最大值達2.7GPa，但熱處理溫度進一步升高，得到的碳纖維的強度則下降；碳纖維拉伸強度與測試樣品長度相關，長度短，測得的拉伸強度高，如同一批經2 500 ℃熱處理的碳纖維，樣品長度分別為50 mm和5 mm，拉伸強度則分別為2.07 GPa和2.75 GPa；PAN纖維強度>1GPa（約為商用PAN纖維強度的兩倍）時，制得的碳纖維并沒有對應的強度提高，等等。瓦特認為：碳纖維強度與PAN纖維強度密切相關，但由于PAN纖維存在雜質或表面損傷，降低了碳纖維的強度。
瓦特將濕紡裝置放在空氣凈化器前紡絲，力求紡制不含雜質的PAN纖維?？諝鈨艋魈峁?00級的清潔空氣[粒徑≥0.5 μm的顆粒物數(shù)量<100個/ft(1ft=0.304 8 m)不存在粒徑>5 μm 的顆粒物]。作為對照，在實驗室環(huán)境(顆粒物數(shù)量約10 7 /m3 )中使用一臺同樣的紡絲裝置紡絲。采用經過濾(1.5 μm)和未經過濾的紡絲液分別紡絲，然后對4個批次的PAN纖維（強度0.5~0.6GPa）進行220 ℃、5 h連續(xù)長度的預氧化，再在氮氣中1 000 ℃碳化，最后在氬氣中1400~2500 ℃熱處理。
電鏡觀察發(fā)現(xiàn)：過濾紡絲液紡制的PAN纖維制得的碳纖維，斷裂原因是表面缺陷，纖維表面或裂紋表面存在斑點，與表面可見的雜質有對應關系；未過濾紡絲液紡制的PAN纖維經1400 ℃碳化得到的碳纖維，斷裂原因是內部缺陷或表面缺陷；2 500 ℃熱處理得到的碳纖維，斷裂出現(xiàn)在內部孔洞處，說明雜質揮發(fā)產生了孔洞。結果表明：PAN纖維中的雜質顆粒是影響碳纖維強力的主要原因，純凈的PAN纖維可避免最高溫度熱處理時的強度下降。
瓦特研究了污染顆粒物種類與碳纖維缺陷的關系。選擇實驗室和紡絲廠空氣粉塵中富含的炭黑、二氧化硅和三氧化二鐵顆粒作為雜質樣品，使其懸浮在空氣中并掉落在潔凈室中過濾紡絲液紡制的PAN纖維上。被雜質顆粒污染的PAN纖維樣品經1000~1400 ℃熱處理，得到的碳纖維的強度都達到了各自的最大值(1.9~2.5GPa)；再經2 500 ℃熱處理，強度下降到了1.0~1.5 GPa。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)：碳纖維的表面缺陷是由二氧化硅和三氧化二鐵顆粒在碳化時造成的；炭黑污染的纖維制成碳纖維后，纖維中沒有發(fā)現(xiàn)炭黑顆粒造成的裂紋，炭黑以碳顆粒形式松弛地附著在碳纖維表面；炭黑形成的灰分，有可能造成碳纖維缺陷。
研究表明：造成碳纖維缺陷的雜質存在于PAN纖維中，與紡絲液含雜或紡絲中和紡絲后的表面雜質沾染有關；缺陷主要由諸如鐵氧化物等無機雜質造成。缺陷在兩個階段產生：一是雜質與碳纖維間發(fā)生了化學反應；二是雜質顆粒造成纖維三維石墨區(qū)域形成了小的隨機取向。因此，要得到更高強度的碳纖維，必須徹底去除掉PAN纖維中的雜質。
羅羅公司對碳纖維增強復合材料技術發(fā)展的貢獻
羅羅公司是世界上最早開展高性能碳纖維在航空領域應用研究的企業(yè)。1967 年它就開始研制CFRP進氣風扇葉片，準備用于當時正在設計試制的最先進的渦扇飛機發(fā)動機。盡管這一探索不幸慘遭失敗，但羅羅公司對高性能碳纖維技術發(fā)展的貢獻是偉大的。為降低單座運營成本和實現(xiàn)跨洋飛行，1966年美國航空公司(AmericanAirlines)和東部航空公司(Eastern Airlines)都宣布要購買新型遠程客機。為此，美國洛克希德公司(Lockheed Corporation)和道格拉斯公司(Douglas Aircraft Company)分別設計了L-1011型三星號(TriStar)和DC-10型兩款寬體雙通道、載客約300人、可跨洋飛行的大型客機。這兩款新設計的大型客機都需要新型發(fā)動機。
當時，飛機發(fā)動機設計剛剛跨入高涵道比技術時代。高涵道比渦扇發(fā)動機推力大、噪音低、燃油經濟性好。為升級三叉戟型客機(Hawker Siddeley Trident)的動力系統(tǒng)，羅羅公司開始研制200 kN推力的RB178型高涵道比渦輪風扇發(fā)動機；同時，還在研發(fā)提高發(fā)動機效率的“三轉子”技術。RB系列飛機發(fā)動機由多種型號產品組成，采用羅羅公司創(chuàng)始人和研究設計工作所在地——巴諾茨威克(Barnoldswick)的第一個大寫英文字R和B命名。1967年6月，羅羅公司提出為洛克希德公司L-1011型客機研發(fā)推力148 kN 的RB211-06型發(fā)動機。技術方案是：在RB207與RB203兩型成熟發(fā)動機的基礎上，采用大型高功率、高涵道比和三轉子等新技術進行設計；同時還擬采用稱為“海菲爾(Hyfil)”的CFRP風扇葉片，以大幅度減輕風扇重量，提高單位質量功率(power-to-weight ratio)。1967年10月，道格拉斯公司也請羅羅公司為DC-10型客機研制推力157 kN的發(fā)動機。經過一系列復雜的前期準備，1968年初，新發(fā)動機型號確定為RB211-22，推力升到了181kN。1968年3月，洛克希德公司向羅羅公司訂購了150架L-1011型客機所需的該型發(fā)動機，要求1971年完成研制并供貨。
然而，羅羅公司大大低估了該型發(fā)動機的研制難度，錯誤測算了研制周期和研發(fā)經費需求，埋下了合同違約和研制經費嚴重超支而使公司破產的巨大伏筆。由于當時大型高功率、高涵道比、三轉子，特別是CFRP風扇葉片等都不是成熟技術，既要提升單一技術的成熟度，又要開展多項技術的集成研究，故研制中問題層出不窮。1969年秋，測試發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機推力不足，質量超重，油耗太高。對CFRP進氣風扇葉片的研究成果，當時還是很振奮人心的，大多數(shù)的應力和疲勞性能都達到了要求(見圖8)。但最終發(fā)現(xiàn)，這種葉片不能抵御“鳥撞擊(bird strike)”，也就是，雞那么大尺寸的鳥，以幾百英里的時速撞擊到發(fā)動機上，葉片就破碎了。1970年5月，凍雞撞擊試驗時，CFRP風扇葉片被撞成了碎片(見圖9)。幸好，當時備份了鈦合金風扇葉片的方案，但成本、質量和加工難度大增。
最終，RB211系列發(fā)動機取得了巨大成功，籍此，羅羅公司一躍成為了世界飛機發(fā)動機技術的領導者。20世紀90年代起，以該型發(fā)動機技術為基礎研發(fā)的“瑞達(Trent)”系列飛機發(fā)動機，成為了現(xiàn)在人們十分熟悉的波音747、757、767和787等飛機的專屬發(fā)動機。
羅羅公司的浴火重生，成就了英國的飛機發(fā)動機技術和產業(yè)，但卻使英國的碳纖維技術和產業(yè)從此一蹶不振。用前首相溫斯頓·丘吉爾(WinstonChurchill)的名言——“終結于開始(Endof the beginning)”，英國人解嘲地歸納了英國PAN基碳纖維技術的結局。英國碳纖維技術由盛到衰，教訓值得深思并以此為鑒。
瓦特對PAN碳纖維技術發(fā)展做出了開創(chuàng)性的貢獻。他最早認識到PAN原絲性能質量對碳纖維性能的形成具有決定性影響；并以不同品牌的市售PAN纖維為樣品，研究其預氧化和碳化中的化學反應及分子結構變遷，發(fā)現(xiàn)了PAN基碳纖維前驅體纖維的結構特性；研究了紡絲工藝技術條件，制備出了性能優(yōu)異的PAN前軀體纖維，首次制得了真正意義上的高性能PAN基碳纖維。瓦特等人創(chuàng)建的PAN基碳纖維科學研究方法和技術基礎，盡管沒能幫助英國在該領域取得成功，但卻極大地促進了世界PAN基碳纖維技術的快速發(fā)展。
CFRP風扇進氣葉片研發(fā)慘遭失敗，其原因是羅羅公司RB211型渦扇飛機發(fā)動機的設計方案與技術決策失誤造成的。設計方案失誤在：將大型高功率、高涵道比、三轉子和CFPR葉片等四項技術成熟度均偏低的新技術，同時集成于復雜、先進、精確的飛機發(fā)動機系統(tǒng)中，任何一項技術的缺陷都會導致系統(tǒng)的崩潰；而且，“當時要制造CFRP葉片實在是獨樹一幟，太超前了。”在碳纖維和CFRP技術均不成熟時，貿然研制亟待實用的CFRP葉片產品，技術風險之大是難以想象的。技術決策失誤在：忽視項目的高風險、高投入、高耗時性質，試驗研究和經驗積累不夠，資金和時間準備不足。（全文完）
(致謝：感謝中國科學院化學研究所劉瑞剛研究員和哈爾濱工業(yè)大學胡楨教授，對本文涉及高分子科學和化學的內容給予了指正。) 文章來源：http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=12&news_id=5135
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