夯實基礎研究 謀求技術突破 

    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供工程的工地。北京太陽宮燃氣熱電冷聯供工程是2008年奧運行動規劃項目，是奧運場館配套設施，將替代供熱區域內原有的多座燃煤采暖鍋爐房，減少污染排放。據說，這個“大家伙”是有史以來進入北京四環以內最重的設備。為保證這一設備安全抵京，路政部門對多處道路和橋梁采用多種技術手段進行加固，其中包括最新的粘貼碳纖維膜技術。 

    “1988年1月，中國科學院化學研究所孫慕瑾研究員得到國家自然科學基金支持，開始‘低溫等離子體改性碳纖維表面機理研究’。自那時起，國家自然科學基金委已經持續在這一領域支持了二三十項直接涉及碳纖維基礎研究的項目。為提高碳纖維復合材料的品質，現在更多的研究者將目光轉向了基礎研究。”國家自然科學基金委工程材料學部無機非金屬材料科學處處長陳克新說。 

    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難以達到要求。為保障運輸安全，經過專家組論證，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異的特性，隨著人們對碳纖維認識的深入，碳纖維的應用領域與日俱增，廣泛應用在航空航天、文體用品、紡織機械、醫療器械、生物工程、建筑材料、化工機械、運輸車輛等方面。此外，碳纖維復合材料還在開發不用潤滑油的軸承、齒輪、軸瓦、轉軸、提升輪等運動頻繁、負荷大的零件方面有很好的前景。”北京化工大學教授趙東林說。 

    據介紹，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合材料技術的掌握，碳纖維材料更多地應用到日常生活中。中國體育用品市場上，越來越多地使用碳纖維復合材料件制造高性能器材，如高爾夫球桿、網球拍等，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。在土木建筑領域，利用碳纖維復合材料棒材替代圓鋼，利用碳纖維片材加固或修復橋梁及建筑物，及利用碳纖維增強混凝土等都有很大的發展。目前我國應用于土木建筑領域有復合材料棒材、纖維增強膠接層板、碳纖維增強混凝土、碳纖維復合材料板、碳纖維單向布等。 

    “纖維膜有很多優異的材料特性，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，被廣泛應用于大型建筑和橋梁的加固上。”冶金部建筑研究總院副院長、國家工業建筑診斷與改造工程技術研究中心常務副主任岳清瑞說。 

    大量舊工程迫切需要加固 

    1959年，日本人Shindo A首先發明了用聚丙烯腈(PAN)纖維制造碳纖維，如今碳纖維已發展成為獨立完整的新型工業體系，并被喻為21世紀的“黑色革命”。1960年，長春應用化學研究所已著手于PAN基碳纖維的研究，上個世紀70年代初已完成連續化中試裝置。其后，上海合成纖維研究所、中國科學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，進入產業化試生產階段。“我國碳纖維發展從20世紀六七十年代開始，經過幾十年的發展，從無到有，從研制到生產取得了一定的成績，但總的來說，國內碳纖維的研制與生產水平還較低。”趙東林說，“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，我國國家工程技術中心也設在化工大學。” 

    趙東林介紹說，碳纖維技術在土木工程方面的應用，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用形式。一是將碳纖維復合材料應用在新建工程當中，在施工時采用碳纖維復合鋼材、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，在新建工程應用上還是研究得多，應用得少。 

    在開始碳纖維研究較早的日本，以前有過使用碳纖維復合材料和不使用碳纖維復合材料工程的對比。科學家發現已使用碳纖維復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合材料的工程就損壞得比較快。新中國成立初期，國家百業待興，人民建設熱情高漲，曾建設了一大批為人民生產生活提供必備基礎和方便的水庫、隧道、橋梁和一些大型標志性建筑。因為當時的技術條件所限，很多工程在經歷四五十年的風雨后已不堪重負，采用新型便捷的加固方法顯得十分迫切。 

    在土木工程中應用碳纖維材料方面，岳清瑞曾進行過較早的探索。因為當時“國內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范。在做好國家自然科學基金重點項目“高性能纖維增強復合材料在土木工程中應用的基礎研究”、國家科技部“九五”攻關項目“碳纖維材料加固修補混凝土結構試驗研究開發與應用示范”、科研院所技術開發研究專項基金項目“纖維增強復合材料型材及其關鍵應用技術研究”、“863”項目“高性能低成本復合材料在現代土木工程中應用的關鍵技術與材料研究開發”等研究的基礎上，岳清瑞主持編制了國家標準《高性能纖維復合材料應用技術規范》、建設部產品標準《加固修復混凝土用碳纖維片材》、《加固修復混凝土用黏結樹脂材料》、《纖維增強復合材料筋》、《結構加固用玻璃纖維布》等一系列相關的標準。在應用碳纖維膜加固大型建筑方面，岳清瑞負責會診、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。 

    “今天的基礎研究，就是明天的應用技術” 

    今年5月25日，在國家自然科學基金委為建委20周年而舉辦的“21世紀科學前沿與中國的機遇”高層論壇上，李政道先生在闡釋基礎研究與應用技術的關系時曾說，“今天的基礎研究，就是明天的應用技術。” 

    國家自然科學基金委工程與材料科學部的資助領域學科跨度大，應用性強。創新多體現在學科交叉和多種技術的綜合集成應用，既要在單元技術上深入研究和形成突破，又要綜合和系統地解決工程實際問題。“十一五”期間，工程與材料科學部將繼續加強學科交叉研究領域的探索，鼓勵學術創新特別是具有原創性的學術創新，重視應用基礎研究，特別是具有我國特色的、對促進我國產業發展和提高我國國際競爭力有重大意義的基礎研究和應用基礎研究。 

    “碳研究是個重要的領域，2005年黃伯云花20年時間研制出來的高性能碳/碳復合材料飛機剎車片，結束了國家技術發明一等獎連續六年的空缺。碳纖維是其中一個重要方面。因為其應用涉及一些高新技術和國防領域，對強度較高、各種性能較好的高標號碳纖維材料，掌握其技術的發達國家一直對我們實行嚴格禁運，我們也主要靠自己的力量進行研究。國家自然科學基金委、科技部都支持過一些項目。現在主要從事這方面研究的中科院化學所、北京化工大學、國防科技大學、中科院山西煤化所等都得到過基金支持，在低標號碳纖維研究上取得了不小成績。”陳克新說，“因為一直沒有在高標號碳纖維研究上取得突破性進展，現在很多人又把目光瞄準了研究的更前端——在高分子材料方面，我們希望能把基礎研究做得更扎實些，弄清基本問題，謀求更大突破。”