夯實基礎(chǔ)研究 謀求技術(shù)突破 

    12月18日凌晨，總重達533噸、長79米、高5.2米的“巨無霸”燃氣機一路顛簸，安全抵達北京太陽宮燃氣熱電冷聯(lián)供工程的工地。北京太陽宮燃氣熱電冷聯(lián)供工程是2008年奧運行動規(guī)劃項目，是奧運場館配套設(shè)施，將替代供熱區(qū)域內(nèi)原有的多座燃煤采暖鍋爐房，減少污染排放。據(jù)說，這個“大家伙”是有史以來進入北京四環(huán)以內(nèi)最重的設(shè)備。為保證這一設(shè)備安全抵京，路政部門對多處道路和橋梁采用多種技術(shù)手段進行加固，其中包括最新的粘貼碳纖維膜技術(shù)。 

    “1988年1月，中國科學(xué)院化學(xué)研究所孫慕瑾研究員得到國家自然科學(xué)基金支持，開始‘低溫等離子體改性碳纖維表面機理研究’。自那時起，國家自然科學(xué)基金委已經(jīng)持續(xù)在這一領(lǐng)域支持了二三十項直接涉及碳纖維基礎(chǔ)研究的項目。為提高碳纖維復(fù)合材料的品質(zhì)，現(xiàn)在更多的研究者將目光轉(zhuǎn)向了基礎(chǔ)研究?！眹易匀豢茖W(xué)基金委工程材料學(xué)部無機非金屬材料科學(xué)處處長陳克新說。 

    比鋼板強度大十幾倍的“布” 

    北京市路政局公路管理處工作人員介紹說，本次北京太陽宮燃機運輸路線途經(jīng)京塘舊路榆林莊橋、土橋。由于使用年代較久，這兩座橋梁的安全系數(shù)難以達到要求。為保障運輸安全，經(jīng)過專家組論證，對這兩座橋梁分別采取了加固措施，采用貼碳纖維“布”（膜）的方法加固的是榆林莊橋。在通州分局路政大隊的監(jiān)管下，燃氣機到達的前一天已完成對榆林莊橋15片梁的加固工程。 

    “碳纖維材料有很多優(yōu)異的特性，隨著人們對碳纖維認識的深入，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域與日俱增，廣泛應(yīng)用在航空航天、文體用品、紡織機械、醫(yī)療器械、生物工程、建筑材料、化工機械、運輸車輛等方面。此外，碳纖維復(fù)合材料還在開發(fā)不用潤滑油的軸承、齒輪、軸瓦、轉(zhuǎn)軸、提升輪等運動頻繁、負荷大的零件方面有很好的前景?！北本┗ご髮W(xué)教授趙東林說。 

    據(jù)介紹，碳纖維的主要性能是抗拉強度高、密度小、比強度高，碳纖維的密度是鋼的1/4、是鋁合金的1/2，其比強度（材料的抗拉強度與材料密度之比）比鋼大16倍、比鋁合金大12倍。此外，碳纖維還有耐超高溫、耐低溫、耐酸腐蝕、耐驟冷驟熱等特性，即使從3000℃ 的高溫突然降到室溫也不會炸裂，其耐腐蝕性能也超過黃金和鉑金。 

    隨著我們對碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的掌握，碳纖維材料更多地應(yīng)用到日常生活中。中國體育用品市場上，越來越多地使用碳纖維復(fù)合材料件制造高性能器材，如高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等，其他還包括滑雪板、滑雪車、箭桿、釣魚竿、自行車車架、船槳、公路賽車。在土木建筑領(lǐng)域，利用碳纖維復(fù)合材料棒材替代圓鋼，利用碳纖維片材加固或修復(fù)橋梁及建筑物，及利用碳纖維增強混凝土等都有很大的發(fā)展。目前我國應(yīng)用于土木建筑領(lǐng)域有復(fù)合材料棒材、纖維增強膠接層板、碳纖維增強混凝土、碳纖維復(fù)合材料板、碳纖維單向布等。 

    “纖維膜有很多優(yōu)異的材料特性，這種和‘布’類似的薄膜強度是鋼板的十幾倍，將它貼在橋梁上，可以使橋梁抗壓力增強，而且能將壓力均勻分布到各受力點。與其他方法相比，這種貼膜法施工相對簡單，加固效果明顯，被廣泛應(yīng)用于大型建筑和橋梁的加固上?！币苯鸩拷ㄖ芯靠傇焊痹洪L、國家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任岳清瑞說。 

    大量舊工程迫切需要加固 

    1959年，日本人Shindo A首先發(fā)明了用聚丙烯腈(PAN)纖維制造碳纖維，如今碳纖維已發(fā)展成為獨立完整的新型工業(yè)體系，并被喻為21世紀(jì)的“黑色革命”。1960年，長春應(yīng)用化學(xué)研究所已著手于PAN基碳纖維的研究，上個世紀(jì)70年代初已完成連續(xù)化中試裝置。其后，上海合成纖維研究所、中國科學(xué)院山西煤化所等單位也開展研制工作，并于80年代中期通過了中試，進入產(chǎn)業(yè)化試生產(chǎn)階段?！拔覈祭w維發(fā)展從20世紀(jì)六七十年代開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，從無到有，從研制到生產(chǎn)取得了一定的成績，但總的來說，國內(nèi)碳纖維的研制與生產(chǎn)水平還較低?！壁w東林說，“近些年，我國加大了對碳纖維研究的支持力度，碳纖維復(fù)合金屬、陶瓷、水泥等多項研究都在進行。碳纖維研究也成為一個研究熱點，我國國家工程技術(shù)中心也設(shè)在化工大學(xué)。” 

    趙東林介紹說，碳纖維技術(shù)在土木工程方面的應(yīng)用，只是碳纖維研究的一個方面。通常在土木工程上主要有兩種應(yīng)用形式。一是將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在新建工程當(dāng)中，在施工時采用碳纖維復(fù)合鋼材、水泥等材料；二是對舊工程加固，采用貼碳纖維膜、涂碳纖維水泥等方式整修、加固舊工程。目前在工程上主要是舊建筑的加固，在新建工程應(yīng)用上還是研究得多，應(yīng)用得少。 

    在開始碳纖維研究較早的日本，以前有過使用碳纖維復(fù)合材料和不使用碳纖維復(fù)合材料工程的對比?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)已使用碳纖維復(fù)合材料的橋梁和建筑，幾十年后沒有太明顯的變化。而沒有加入碳纖維復(fù)合材料的工程就損壞得比較快。新中國成立初期，國家百業(yè)待興，人民建設(shè)熱情高漲，曾建設(shè)了一大批為人民生產(chǎn)生活提供必備基礎(chǔ)和方便的水庫、隧道、橋梁和一些大型標(biāo)志性建筑。因為當(dāng)時的技術(shù)條件所限，很多工程在經(jīng)歷四五十年的風(fēng)雨后已不堪重負，采用新型便捷的加固方法顯得十分迫切。 

    在土木工程中應(yīng)用碳纖維材料方面，岳清瑞曾進行過較早的探索。因為當(dāng)時“國內(nèi)碳纖維市場幾乎是一片空白”，岳清瑞決定先扎扎實實搞碳纖維的技術(shù)研究。他一面著力提高改善碳纖維的性能，一面著手建立市場規(guī)范。在做好國家自然科學(xué)基金重點項目“高性能纖維增強復(fù)合材料在土木工程中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究”、國家科技部“九五”攻關(guān)項目“碳纖維材料加固修補混凝土結(jié)構(gòu)試驗研究開發(fā)與應(yīng)用示范”、科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項基金項目“纖維增強復(fù)合材料型材及其關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究”、“863”項目“高性能低成本復(fù)合材料在現(xiàn)代土木工程中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)與材料研究開發(fā)”等研究的基礎(chǔ)上，岳清瑞主持編制了國家標(biāo)準(zhǔn)《高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》、建設(shè)部產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)《加固修復(fù)混凝土用碳纖維片材》、《加固修復(fù)混凝土用黏結(jié)樹脂材料》、《纖維增強復(fù)合材料筋》、《結(jié)構(gòu)加固用玻璃纖維布》等一系列相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用碳纖維膜加固大型建筑方面，岳清瑞負責(zé)會診、修整了很多項大工程，像天安門城樓、軍事博物館、人民大會堂、民族文化宮等解放初期興建的十大建筑中，他主持加固過七個。 

    “今天的基礎(chǔ)研究，就是明天的應(yīng)用技術(shù)” 

    今年5月25日，在國家自然科學(xué)基金委為建委20周年而舉辦的“21世紀(jì)科學(xué)前沿與中國的機遇”高層論壇上，李政道先生在闡釋基礎(chǔ)研究與應(yīng)用技術(shù)的關(guān)系時曾說，“今天的基礎(chǔ)研究，就是明天的應(yīng)用技術(shù)?！?nbsp;

    國家自然科學(xué)基金委工程與材料科學(xué)部的資助領(lǐng)域?qū)W科跨度大，應(yīng)用性強。創(chuàng)新多體現(xiàn)在學(xué)科交叉和多種技術(shù)的綜合集成應(yīng)用，既要在單元技術(shù)上深入研究和形成突破，又要綜合和系統(tǒng)地解決工程實際問題。“十一五”期間，工程與材料科學(xué)部將繼續(xù)加強學(xué)科交叉研究領(lǐng)域的探索，鼓勵學(xué)術(shù)創(chuàng)新特別是具有原創(chuàng)性的學(xué)術(shù)創(chuàng)新，重視應(yīng)用基礎(chǔ)研究，特別是具有我國特色的、對促進我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和提高我國國際競爭力有重大意義的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。 

    “碳研究是個重要的領(lǐng)域，2005年黃伯云花20年時間研制出來的高性能碳/碳復(fù)合材料飛機剎車片，結(jié)束了國家技術(shù)發(fā)明一等獎連續(xù)六年的空缺。碳纖維是其中一個重要方面。因為其應(yīng)用涉及一些高新技術(shù)和國防領(lǐng)域，對強度較高、各種性能較好的高標(biāo)號碳纖維材料，掌握其技術(shù)的發(fā)達國家一直對我們實行嚴(yán)格禁運，我們也主要靠自己的力量進行研究。國家自然科學(xué)基金委、科技部都支持過一些項目。現(xiàn)在主要從事這方面研究的中科院化學(xué)所、北京化工大學(xué)、國防科技大學(xué)、中科院山西煤化所等都得到過基金支持，在低標(biāo)號碳纖維研究上取得了不小成績?！标惪诵抡f，“因為一直沒有在高標(biāo)號碳纖維研究上取得突破性進展，現(xiàn)在很多人又把目光瞄準(zhǔn)了研究的更前端——在高分子材料方面，我們希望能把基礎(chǔ)研究做得更扎實些，弄清基本問題，謀求更大突破?！?nbsp;