1892年，愛迪生髮明瞭將碳化天然纖維用作白熾燈發光體的技術，首次實現了碳纖維的商業化應用。當時的碳纖維力學性能差，容易損壞。此後的近60年間，改進碳纖維力學性能的研究從未停止過，但收效甚微，碳纖維技術陷入休眠期。20世紀50年代末，碳纖維基礎理論研究取得突破，為其高性能化發展指明瞭方向；與此同時，以尼龍和聚丙烯腈纖維為代表的化纖技術步入成熟期，引發碳纖維技術進入了“再發明（reinvented）”時代。20世紀60至80年代，高性能碳纖維處於發展熱潮期，美、日、英相繼突破了關鍵技術，建立了產業。20世紀90年代，高性能碳纖維應用步入爆發期，碳纖維增強樹脂（carbon fiber reinforced plastics，CFRP）已成為了航空航天器等尖端軍民用裝備的主要結構材料。
20世紀50年代末至70年代末，美國、日本和英國的科學家分別發現了石墨晶須及其超高強特性，指明瞭高性能碳纖維領域的技術發展方向和目標；發明了人造絲基、聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基和中間相瀝青基碳纖維製備技術，奠定了高性能碳纖維產業的技術基礎。本文基於高性能碳纖維技術與產業發展歷程中，美國、日本與英國的3個企業、2個研究機構和5位科學家的貢獻，分析這3個國家高性能碳纖維產業結局不同的原因。
世界高性能碳纖維技術的發展
高性能碳纖維，是碳含量>92%，具備強度≥3530 MPa、模量≥230 GPa、延伸率為0.7%~2.2% 等優異力學特性的纖維形態的碳材料。20世紀50年代末，美國科學家關於“石墨晶須”超高強特性的科學發現，揭開了高性能碳纖維技術的發展序幕。此後的20多年裡，美國、日本和英國的研究機構與企業持續推進了該領域的技術研發和產業建設。
美國
1）美國聯合碳化物公司的成功與失敗
美國聯合碳化物公司（Union Carbide Corporation）的前身是1886年成立的美國國家碳材料公司（National Carbon Company），是美國合成碳材料產業的開創者。
20世紀50年代，聯合碳化物公司創建了帕爾馬技術中心（Union Carbide Corp.'s Parma Technical Center），開展碳材料科學的基礎研究。該中心延攬了許多傑出的青年科學家從事他們感興趣的研究，獲得了極其豐碩的成果。1958年，Bacon發現了石墨晶須（graphite whiskers）及其超高強特性，併發明瞭實驗室製備石墨晶須的方法；1959年，Ford和Mitchell發明了高性能人造絲基碳纖維製備技術，生產出了當時強度最高的商業化碳纖維；1964年，Schalamon等發明了2800℃以上高溫中“熱拉伸”（hot-stretching）人造絲製造高模量碳纖維的技術；1970年，Singer發明了中間相瀝青基碳纖維製備技術等。2003 年9 月17 日，美國化學會（American Chemical Society，ACS）確認，帕爾馬技術中心曾開展的高性能碳纖維技術研究，是一項“美國曆史上的化學裡程碑”（national historic chemical landmark）。Bacon和Singer等科學家的發現和發明，為碳纖維增強複合材料的科學技術奠定了基礎。
20世紀60至80年代，聯合碳化物公司的高性能人造絲基碳纖維和中間相瀝青基碳纖維技術居世界領先水平。20 世紀60 年代初，美國空軍材料實驗室（Air Force MaterialsLaboratory，AFML）使用聯合碳化物公司1959年投產的高性能人造絲基碳纖維作為酚醛樹脂的增強體，研製了航天器熱屏蔽層。這是碳纖維首次替代玻纖和硼纖維作為樹脂增強體，製成輕質耐熱複合材料製件並獲成功應用。纖維增強複合材料技術由此跨入了“先進複合材料”時代。1982年時，聯合碳化物公司生產的ThornelP-SS型中間相瀝青基碳纖維連續長絲的模量已達到了830 GPa。
美國聯合碳化物公司在當時本該成為世界高性能碳纖維產業的引領者，但由於盲目擴張和管理混亂，反以悲劇告終。1984年其在印度的分公司發生博帕爾慘案，造成人類歷史上迄今為止最嚴重的化學毒氣洩露事故，導致近80萬人死傷。這一事件致其倒閉，幾經轉賣後，其碳纖維業務現為美國氰特工業公司（Cytec Industries Inc.）擁有。
喪失了聯合碳化物公司的頭雁引領，美國高性能碳纖維產業未能實現應有的輝煌。目前，美國雖擁有可保障軍用的技術、產品和產能，但產品不具性價比優勢，沒有市場競爭力，故像波音飛機機體結構材料這樣的民用需求只能靠日本東麗公司供應。
2）Bacon發現石墨晶須及其超高強特性
1956年，Bacon開始研究碳三相點處溫度和壓力的測量問題。使用直流碳弧爐，在近1.01325×107 Pa 和3900 K條件下，實驗表明，壓力較低時，負極上的氣態碳生長出了石筍狀的長絲，即石墨晶須。石墨晶須的直徑只有人頭髮的1/10，最長約2.54 cm，可彎曲和扭結而不脆斷，特性令人驚奇。Bacon研究認為，石墨晶須是由碳片層沿長度軸卷繞而成，結構的高度取向是其具有超高強特性的原因所在，Bacon的發現獲得了美國專利，相關研究成果也發表在1960 年的《應用物理》（Journalof Applied Physics）上。由此，高性能碳纖維技術發展有了明確的目標和方向（表1）。
表1 人造絲基碳纖維與石墨晶須性能比較
3）Singer發明中間相瀝青基碳纖維
20世紀60年代，從事碳化機理研究的Singer嘗試探索可工業化製造石墨晶須的方法。要製得石墨晶須，首要的是要找到合適的含碳原料。只有結構足夠有序、碳含量足夠高的含碳原料，才能經2500℃以上熱處理，製成含碳量近乎100%且結構高度有序的高硬度純石墨質材料。此前，科學家曾研究過酚醛、苯酚和聚酰胺等近20種有機物，但它們都不適合用作高性能碳纖維的前驅體。因此，要製造具有石墨晶須特性的高性能碳纖維，需要新的前驅體原料。
石油基和煤基瀝青，是製造碳和石墨的基礎原料。瀝青是分子量分佈很廣的數百種芳烴類物質構成的複雜混合物，含碳量90%以上，是高碳含量有機物。Singer研究發現，中間相瀝青具有導熱、導電、抗氧化、低熱膨脹率等優異性能，其重量的80%~90%可轉化為碳。1970年，Singer發明了中間相瀝青製備方法，並以其為原料製成了中間相瀝青基碳纖維。中間相瀝青基碳纖維具有高強、高模和高導熱特性，是製造航天器不可替代的結構材料。
日本
1）大阪工業技術試驗所和進藤昭男發明PAN基碳纖維
日本政府大阪工業技術試驗所（Government Industrial Research Institute，GIRIO）成立於1918 年，成立該機構是為日本關西地區的企業提供技術支持。該機構1993年被併入日本產業技術綜合研究院（Agency of Industrial Science and Technology，AIST），更名為大阪國立研究所（Osaka National Research Institute，ONRI）。
20世紀50年代，日本進入經濟起飛期，強烈渴望增強自主創新能力。大阪工業技術試驗所鼓勵科研人員開展自己感興趣的研究，大力資助可轉化為產業的研究項目，允許有實際應用潛力的技術成果申請專利。正是這種有利的氛圍，使PAN基碳纖維研究結出了果實。
1959年，大阪工業技術試驗所的青年科學家進藤昭男（Akio Shindo），讀到了《日刊工業新聞》（Nikkan Kogyo Shimbun）刊登的介紹聯合碳化物公司人造絲基碳纖維研究進展的簡訊，激發了他強烈的好奇心。之後，在大阪工業技術試驗所的資助下，他開始了碳纖維研究。為尋找合適的前驅體纖維，進藤昭男從百貨商店收集了各種織物的布頭，並對它們進行了1000℃的熱處理。他發現美國杜邦公司奧綸（Orlon®）品牌聚丙烯腈纖維織成的布料的熱穩定性非常好，經更高溫度熱處理後，能以黑色絨毛狀小球的形態存在。進一步研究表明，在空氣中進行高溫熱處理，聚丙烯腈分子內的氮和氫反應生成了氨氣和氫氰酸而釋放，碳轉化率達50%~60%；可形成纖維形態完好且強力、模量和耐熱性都很好的PAN基碳纖維；經更高溫度熱處理，可得到纖維態石墨。進藤昭男的研究，為實現PAN基碳纖維的產業化奠定了技術基礎。
大阪工業技術試驗所與企業交流頻密，知識和技術轉移迅速，孵化了大量的商業利益。1959年和1970年，東海碳素公司（Tokai Electrode Mfg. Co.,Ltd.）、日本碳素公司（Nippon Carbon Co., Ltd.）和東麗公司（Toray Industries,Inc.）分別獲得了該所PAN基碳纖維技術的專利授權，為產業建設鋪平了道路。
2）東麗公司的PAN基碳纖維產業建設
東麗公司成立於1926年，前身是東洋人造絲公司（Toyo Rayon Co., Ltd.）。創立之初，該公司僱用多名歐洲專家，引進先進技術和管理，於1927年建成生產線投產了黏膠纖維；此後，通過持續創新發展，成功進入了合成化學工業領域。20世紀40至60年代，東麗公司先後實現了尼龍、聚酯和丙烯酸等纖維的產業化，並於1961 年開始研發碳纖維生產技術，1968年全力投入PAN基碳纖維產業建設；通過自主研發、收購兼併和專利轉讓，1971年實現了TORAYCA®品牌PAN基碳纖維的商業化，並使其逐步實現了從體育用品到航空航天器製造的廣泛應用。
3）大谷杉夫發明瀝青基和中間相瀝青基碳纖維
20世紀50年代中後期，大谷杉夫（Sugio Otani）在群馬大學（Gunma University）開始從事碳化技術研究。他研究了許多純化合物、聚合物，以及瀝青的碳化機理，創立了瀝青平均模型結構研究方法。期間，他發現，氮氣中260℃熱處理的吹制瀝青、煤基瀝青和聚氯乙烯（PVC）都具有很好的可紡性，1000℃熱處理聚氯乙烯和吹制瀝青可製得性能尚可的碳纖維。此後，他致力於低成本、高質量碳纖維的製備技術研究；研發了以工業石油酸淤渣為原料的“氮氣環境-熱處理-熔紡-再熱處理”的瀝青基碳纖維製備技術；發明了高分子量石油基和煤基瀝青製備技術，製得的瀝青含有稠環芳烴且烷基基團含量低，經空氣中熔紡、氮氣中碳化，可製成碳含量91%~96.5%的高性能碳纖維；發明了使用四苯並酚嗪製備中間相瀝青，再經熔紡和碳化製成具有各向異性特性的中間相瀝青基碳纖維的技術，該技術1978年獲美國專利。採用大谷杉夫的專利技術，吳羽化學工業公司（Kureha Chemical Ind. Co.）於1970年開始生產瀝青基碳纖維。
目前，日本擁有完備的人造絲基、PAN基、瀝青基和中間相瀝青碳纖維產業，佔據著各細分技術的制高點，壟斷著所有高端產品的市場。
英國
1）英國皇家飛機研究中心Watt發明高性能PAN基碳纖維
皇家飛機研究中心（Royal Aircraft Establishment，R.A.E. Farnborough）是英國最早的飛機研究設計基地，其所在地範堡羅市是20世紀初的世界“航空谷”，是鷂式和協和式飛機的誕生地。該中心1961年開始研究玻纖纏繞增強複合材料（glass fiber reinforced plastics, GFRP）火箭發動機部件。玻纖強度雖高，但模量當時只有70 GPa。
Watt原在該中心從事氧化碳化、熱裂解石墨和石墨抗滲核燃料罐等研究，1963年開始研究高性能碳纖維。Watt認為，石墨晶須的性能就是碳纖維要達到的目標。為使碳纖維的結構能逼近石墨晶須，Watt測量分析了聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇和聚丙烯腈等纖維的碳遺留和熱裂解性能。他發現，拉伸並熱處理聚丙烯腈纖維，可製得高強（1~2 GPa）高模（200~500 GPa）碳纖維。通過研究聚丙烯腈纖維預氧化和碳化中的化學反應及分子結構變遷，Watt認為，聚丙烯腈前驅體纖維的結構特性對PAN基碳纖維性能具有決定性影響。在考陶爾斯公司（Courtaulds Ltd）和摩根坩堝公司（Morganite R&D Ltd）等英國老牌化纖及碳材料企業的支持下，Watt發明了高度取向的聚丙烯腈前驅體纖維，並最早製成了高性能PAN基碳纖維。Watt的技術向美、日進行了轉讓，這極大地促進了世界高性能PAN基碳纖維技術的發展。
同期，英國羅爾斯羅伊斯航空發動機公司，簡稱羅羅公司（Rolls-Royce PLC）和英國原子能研究中心（Atomic Energy Research Establishment，AERE）也深度參與了高性能碳纖維的研究。
2）羅羅公司的貢獻與遺憾
Watt發明高性能PAN基碳纖維製備工藝技術後不久，羅羅公司於20世紀60年代中後期率先實現了高性能PAN基碳纖維的連續化生產，並很快就研製了碳纖維增強樹脂材質的飛機發動機進氣風扇葉片，準備用在當時最先進的渦扇發動機上。但該葉片未能通過撞擊試驗，加之該型發動機研製嚴重失誤，最終導致羅羅公司破產重組。這給剛剛起步的英國碳纖維產業帶來了極為不利的影響。
美、日、英3 國高性能碳纖維技術和產業發展成功因素分析
運用態勢分析法（strengths weakness opportunities threats，SWOT）（圖1），從科學研究、工業基礎和發展環境等3個方面，對美、日、英3國20世紀60至80年代發展高性能碳纖維技術和產業期間所面臨的優勢、弱勢、機遇和威脅比較分析如下。
圖1 態勢分析法
科學研究
1）碳材料科學技術基礎
碳纖維就是纖維形態的碳材料。認識碳纖維的微觀特性並實現其產業化複製，離不開碳材料科學技術的支撐。
帕爾馬技術中心成立時，聯合碳化物公司已從事了50多年的合成碳材料及製品生產，擁有領先的高性能人造絲基碳纖維技術和產業。
進藤昭男1952年加入大阪工業技術試驗所時，該所已有30多年碳材料和紡織技術研究基礎。1959年開始研究碳纖維時，他已研究了近7年高密度碳製品和核反應堆用碳材料，這對他能快速取得初期研究成果助益良多。
皇家飛機研究中心擁有非常好的化學、塑料和碳材料技術研究基礎。一方面，1961年該中心就開始研究玻纖增強樹脂（GFRP）導彈結構體技術，故高性能人造絲基碳纖維一出現，Watt就判斷碳纖維將在該領域替代玻纖。另一方面，1963年進藤昭男在美國碳材料學會（American Carbon Society，ACS）第6屆雙年學術會議上發表研究報告後，Watt敏銳地把握了其中的關鍵信息，把技術突破口精準地框定在了聚丙烯腈前驅體纖維上，並快速取得了突破。
2）傑出的科學家
對Bacon、Singer、進藤昭男、Watt和大谷杉夫等5位科學家來說，進入碳纖維技術研究領域都有些偶然。Bacon做測量碳三相點溫度壓力實驗時，發現了石墨晶須及其特性。從事碳化機理研究的Singer，為尋找更好的前驅體原料，發現了中間相瀝青；後受同事都在研究纖維的氛圍吸引，發明了中間相瀝青基碳纖維。進藤昭男偶然看到報紙簡訊，就產生了研究碳纖維的想法，並快速付諸實施。科學的直覺和想象力，讓Watt幸運地把研究目標聚焦在了高取向度聚丙烯腈前驅體纖維上。大谷杉夫從研究碳化機理起步，到研究瀝青特性與製備，而後才開始研究瀝青基碳纖維。
儘管研究始於偶然，但5位科學家成果斐然的發現發明卻奠定了高性能碳纖維發展的科學技術基礎。他們的傑出，就在於能抓住偶然顯現的科學現象並揭示其機理，使製造和應用高性能碳纖維成為了可能（表2）。
表2 5位碳材料科學家的基本信息
3）知識的傳播與轉移
《日刊工業新聞》報道聯合碳化物公司人造絲基碳纖維的技術進展；《應用物理》雜誌發表Bacon發現石墨晶須及其特性的論文；在美國碳材料學會的會議上，進藤昭男發佈題為《聚丙烯腈纖維的碳化》（On the carbonization of polyacrylonitrile fiber）的學術報告；美國軍官William Postelnek提示進藤昭男，PAN基碳纖維的優勢在於其力學特性；大阪工業技術試驗所向多家企業轉讓PAN基碳纖維技術；Watt向美、日轉讓聚丙烯腈前驅體纖維製備技術；東麗公司收購其他日本企業的碳纖維製備技術；東麗公司與聯合碳化物公司互換聚丙烯腈前驅體纖維製備和碳化技術等。此外，密集的技術信息傳播、學術交流和技術轉讓等知識的傳播與轉移活動，大大促進了早期高性能碳纖維技術的快速發展。
工業基礎
1）化纖工業技術基礎
尼龍是美國杜邦公司發明的第一種真正意義的化學纖維，1939年商業化後獲得了巨大成功。20世紀40年代英國帝國化學工業公司（Imperial Chemical Industries）實現了聚酯纖維的產業化，1950年美國杜邦公司開始商業化生產其發明的聚丙烯腈纖維。英國考陶爾斯公司是1794年成立的老牌紡織企業，20世紀60年代時，已有多年聚丙烯腈纖維的生產技術經驗。日本東麗公司1927年開始生產人造絲，其後一直緊跟化纖技術的發展步伐，於1941、1958和1964年先後實現了尼龍、聚酯和聚丙烯腈纖維的產業化。成熟的化纖工業技術基礎為高性能碳纖維的技術突破和產業建設提供了必要條件。
此外，作為化纖技術的創始人，美國杜邦公司也曾一度研發過碳纖維，但當時化纖產業發展較快，因而捨棄碳纖維研發與產業。
2）企業主導產業建設
大阪工業技術試驗所1959年初步突破PAN基碳纖維技術後，最終放棄了自建產業的想法，把技術轉讓給了企業。東海碳素和日本碳素兩個日本碳材料企業獲得大阪工業技術試驗所的技術轉讓後，1959年開始PAN基碳纖維的產業技術研發與建設，因缺乏化纖經驗，長期沒能突破技術瓶頸。1961年，已具有一定化纖技術基礎的東麗公司，恰逢其時地進入該領域，在獲得Watt聚丙烯腈前驅體纖維技術和聯合碳化物公司碳化技術轉讓後，率先產業化生產出了高性能PAN基碳纖維。
3）傑出企業家
歷時10多年的產業建設競爭期，許多競爭者已半途而廢，而東麗公司則堅持下來並獲得了空前成功。東麗公司現任高級副總裁安倍光一（Koichi Abe）認為，看準了碳纖維經較長期研發可能應用在飛機上的潛在價值，是東麗公司得以堅持下去的源動力。
創新和企業家理論創立者、經濟學家熊彼得（Joseph Alois Schumpeter）指出，企業家是創新者；沒有企業家的領導，創新不可能成功。能透視碳纖維潛在價值併為之而不懈努力的企業家，定是同類中的佼佼者。傑出企業家，是日本高性能碳纖維產業得以成功的核心要素之一。
發展環境
20世紀60至80年代，為應對接續的韓越戰爭和持續冷戰，美國產業政策偏向了軍工；儘管碳纖維技術基礎研究成就輝煌且較早實現了產業化，但未能有效地開拓民用市場，使產業發展走上了窄路，沒有形成經濟規模。同期，英國雖科技基礎深厚、社會穩定，但經濟低迷；技術上圖新、圖快，引發風險，造成重大失誤，給初期的產業發展塗上了陰影。其時，日本經濟增長迅速，政府、企業和民眾齊心發展自主創新產業；外部的戰時需求旺盛，使其不僅可以悶聲發大財，而且有精力和時間進行高性能碳纖維技術的自主研發和產業建設。
結 論
儘管美國發現了高性能碳纖維的科學機理，最早建立了產業，但結局卻差強人意。英國雖然率先突破高性能PAN基碳纖維生產技術，並開創性地用其研製飛機發動機零件，但終因技術冒進而“敗在開始”（end in the beginning）。因此，日本擁有建設高性能碳纖維產業的多元動力和極佳環境，態勢最佳；而美、英則只是依賴科學家的興趣和企業拓展傳統業務的意願，態勢弱勢明顯（表3）。
表3 美、英、日高性能碳纖維產業早期建設態勢分析
1）美國強在科技發達，弱在發展環境差，敗在管理混亂。
從白熾燈發光體到航空航天器結構材料，從天然纖維基、人造絲基、PAN基到中間相瀝青基碳纖維，美國科學家都一步一個腳印地一路走過。但長期的戰爭和冷戰，產業導向偏軍偏窄，社會不穩定；企業盲目擴張、管理混亂，釀成重大災難，終致垮臺，產業發展戛然止步。
2）英國強在基礎厚實，失於技術冒進。
有著傑出科學家和聚丙烯腈纖維產業技術基礎，英國快速突破了關鍵技術，並開拓了尖端應用研究，其探索精神令人讚歎。但技術成熟度低時，貿然研製亟待使用的碳纖維增強樹脂（CFRP）飛機發動機葉片，失敗自然是大概率事件，進而動搖了產業建設的信心。
3）日本強在意識敏銳、學習能力強、工匠精神深厚，成在發展環境優、產業通道寬。
日本及時發現高性能碳纖維技術的萌芽，與美、英幾乎在同一起跑線上出發；任世界亂雲飛渡，內部政通人和，舉國謀經濟復甦、謀技術自立、謀建設新產業；市場基於民用，穩步向航空航天高端應用發展、向工業領域拓展；從而成就了其今日高性能碳纖維領域的世界主導地位。（責任編輯 衛夏雯）
基金項目：國家出版基金項目（2016T-008）
參考文獻（略）
作者簡介：周宏，軍事科學院系統工程研究院，高級工程師，研究方向為對位芳綸材質單兵裝備技術與國產高性能纖維技術發展戰略。
注：本文發表於《科技導報》2018 年第13 期，敬請關注。
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