中國科學院院士朱美芳：在纖維材料領域展現中國科研力量

文/本刊記者 段永利

隨著科技的不斷進步和發展，人們對新材料的需求越來越高，新型纖維材料也得到了研究人員的廣泛關注，其研究與應用前景十分廣闊，在服裝、建筑、醫療等領域有著不可估量的價值。2023年7月，中國科學院院士、東華大學材料科學與工程學院院長朱美芳帶領團隊開發出超強韌人造蜘蛛絲，在纖維材料研究中取得了重大突破，目前有待實現大規模的工業化生產。

自2020年以來，新型冠狀病毒感染疫情在全球反復多點暴發，防護服成了“搶手貨”。由多層復合材料制成的防護服“密不透風”，里三層外三層，光是穿上身就要分7步，導致醫護人員皮膚出現勒痕、瘀青甚至出血。尤其在高溫情況下，穿著防護服猶如在蒸籠里一般，普通人堅持一小時都非常困難。防護服成本昂貴，一旦脫下就不能再次使用，為了節約資源，醫護人員都盡量不喝水、不上廁所，盡管穿著不適但又萬分珍惜。

朱美芳團隊通過瞬時釋壓紡絲成形新技術，開發出高阻隔、高耐磨、高透氣性的安全防護材料，部分物化指標甚至超過了杜邦公司的明星產品——“特衛強”（Tyvek），從而制備出一系列有限次使用的醫用防護服。本刊記者為此專訪了這位纖維材料界的“帶頭人”。

科技報國的學術基因

“要說起從事纖維改性研究工作的緣由，還得從1989年1月說起，那時我剛入職沒幾天，就跟著當時的系主任陳彥模坐著卡車去了張家港滌綸廠。只有深入到企業才能發現問題，這也是科研的魅力所在。”朱美芳對本刊記者說。

哪里有問題，哪里就有研究課題；哪里有需求，哪里就是研究方向。這一直是朱美芳及其團隊的科研原則和共同目標，也成為流淌在她血液里的學術基因。

“蒙泰”，是朱美芳帶領的課題組的名字，源于20世紀90年代初課題組研制開發的“蒙泰絲”——細旦聚丙烯纖維。這種纖維柔軟可染色，還可以賦予不同功能，實現了單一成果的可持續創新發展。“蒙學善問，泰定求真”成為團隊師生研習的共同追求。

在東華大學材料科學與工程學院，朱美芳繼承了老一輩東華“材料人”的學術基因和科研精神，堅持認為學生始終是她潛心開發的首要“材料”，并且做到因材施教。朱美芳堅持給本科生上第一堂課和最后一堂課，幫助學生扣好學業和職業生涯的“第一粒扣子”。朱美芳給本科生上的第一堂課主要介紹材料學科的概況和國內外材料領域的發展趨勢，目的是為激發學生的學習興趣。她給大四畢業生上最后一堂課，主要是給學生講材料制備方法學、國際材料前沿和材料行業情況，幫助學生實現從本科生到研究生或企業人的過渡。

在科研道路上，材料科學與工程學院和課題組的青年教師們也感激朱美芳的教導，尤其是啟發他們對科學問題的思考，對他們科研態度產生了潛移默化的影響。

朱美芳團隊歷經10余年攻關，創新性地提出了有機無機原位雜化構筑高感性多功能纖維的新思路，發明了聚酯聚合過程跨尺度微納結構功能相的原位構筑及其均勻分散新方法，建立了雙螺桿限域空間和多外場誘導下聚合物與功能無機顆粒復合體系相結構的調控機制，研發了功能纖維微細化、異截面、復合加工“多相紡絲成形”新技術，構筑了多功能纖維的全鏈條設計與一體化實施新策略。該項目擁有完全自主知識產權，授權發明專利40余項，出版專著1部、發表論文50余篇。在多家合作單位成功實現產業化，開發了5大系列30多類產品，在國內外知名品牌中獲得成功應用，并延伸應用至高端運輸和國防軍工等領域，經濟效益和社會效益顯著，獲得2020年度國家技術發明獎二等獎。

近年來，朱美芳帶領團隊始終聚焦國家重大戰略和地方經濟社會發展需求，通過纖維與納米、生物、仿生等學科的交叉融合，在化學纖維理論和技術方面不斷突破，重點研發與航空航天、國防軍工、生命科學、信息和環保技術、新能源等相關的多功能、高性能及納米纖維材料，在生物醫用材料、石墨烯纖維、智能水凝膠等領域均有建樹，促進了我國纖維材料的高功能化、納米化及智能化發展。

搞“接地氣”的科研

針對醫護用防護服不透氣且只能一次性使用的問題，朱美芳暗下決心，“要做就做國內沒有的，國家重點實驗室就是要在國家最需要的時候，急國家所急，解國家之難”。為有效應對疫情，東華大學材料科學與工程學院校友、科技企業總經理羅章生，與朱美芳團隊一拍即合，主動擔當戰“疫”行動派，依托纖維材料改性國家重點實驗室這支材料“國家隊”的硬核支撐，他們第一時間立項，20天完成“新型冠狀病毒感染疫情醫衛防護材料應急專項”布局，在防護用無紡布方面加急攻關，校企雙方還聯合申報并獲國家自然科學基金委應急專項支持。

2020年春季，項目團隊已向武漢方艙醫院、湖北漢川人民醫院、中國疾控中心傳染病研究所、復旦大學上海醫學院等抗疫一線單位，以及美國紐約州先進能源技術中心、德國德累斯頓工業大學等合作單位捐贈研發的Rowelk有限次防護服5000余件（套）。

短短兩個多月，這種“舍我其誰”的科研態度，成為朱美芳和團隊人員非常時期的“新常態”。有限次使用連體防護服等25個醫衛防護材料項目，或實現量產化，或取得實質性突破，或形成前瞻性發展布局。

搞“接地氣”的科研，朱美芳一做就是30多年。

30多年來，朱美芳帶著團隊將“雜化材料”概念植入纖維界，通過創新合成方法和納米復合技術，對有機、無機材料進行多尺度、多維度和多組分復合。讓不同材料在納米的微觀世界中合而為一，變身為性能可控、功能更強的新材料。例如，水洗50次后，功能纖維及紡織品仍能保持優異的抗菌效果；可排汗、導濕的運動休閑面料，還能升級“加載”抗菌、阻燃、相變等功能……

朱美芳團隊依托的東華大學纖維材料改性國家重點實驗室，堅持產學研用相結合，在國防軍工急需的三大高性能纖維材料，以及關乎民生的功能共聚酯、納米復合功能纖維、大容量聚酯熔體直紡等通用纖維領域取得了系列標志性成果；并在民用航空及汽車輕量化復合材料和光、電、熱等能量轉換功能材料領域已形成新的增長點。朱美芳團隊的研究成果和專利轉化效益惠及年產值達萬億元的纖維材料行業，技術成果獲得國家技術發明獎和國家科技進步獎16項、省部級科技獎項170余項，為我國躍升世界纖維生產第一大國并向世界強國邁進作出了重大貢獻。

以碳纖維為例，纖維材料改性國家重點實驗室與中復神鷹碳纖維股份有限公司合作，攻克了聚丙烯腈基碳纖維大規模產業化難題。2017年，聯合中復神鷹碳纖維股份有限公司建立國內首條千噸T700級和百噸T800級碳纖維生產線，獲得國家科技進步獎一等獎，打破了國外技術封鎖。在纖維材料改性國家重點實驗室主任朱美芳院士總體規劃下，2018年恒天纖維集團有限公司投入1000萬元建立恒天海龍—東華大學高性能碳纖維研發中心，在東華大學建立干噴濕紡試驗線，攻克了T1000級以上超高強度碳纖維制備關鍵技術。

立志攻破“卡脖子”技術

“纖維材料是國家安全、武器裝備亟須的關鍵戰略物資，也是新興戰略產業發展亟須的重要支撐材料。我國合成纖維發展60年，從無到有，從少到多，現在產量已經占全球的70%以上，但部分高性能纖維還受制于人，2019年我國超過50%的碳纖維依賴進口。如何實現纖維產業由大到強，還需進一步加強基礎研究和原創研究，加強高精尖纖維的開發，拓展纖維的應用領域。”朱美芳說。

先進基礎材料、關鍵戰略材料和前沿新材料是新材料產業的三大發展方向，國內材料類研發機構和校企聯合研究院紛紛成立，基礎研究投入不斷增大。如在智能纖維方面，我國與國際先進水平并駕齊驅，但還需進一步通過政府支持、學科交叉、產學研合作，特別是加強基礎性、原創性研究，才能在新一輪國際競爭領域處于有利地位。

朱美芳在和她的研究生們進行技術探討

朱美芳介紹說，我國的化學纖維產量連續20多年居世界第一，其中2020年的產量已超過全球化學纖維總產量的70%。但在部分高技術纖維、新一代纖維及器件研發和產業化方面還有巨大發展空間。例如高性能纖維中的碳纖維，國內T300、T700、T800級碳纖維目前已經實現規模化生產，但主要以民用領域為主，航空領域應用處于初級階段。中國仍處在第1代（T300、T700）先進復合材料擴大應用階段，T800級碳纖維的工程化應用尚處研制階段，而國外航空航天等領域已經大規模應用以T800級碳纖維為主要增強體的第2代先進復合材料。在碳纖維產業化方面，我國處于跟跑到并跑階段。國內 T1000、M55J級碳纖維工程化問題尚未完全解決，T1100、M60J級以上高強高模碳纖維制備關鍵技術有待突破。

極端環境（大于地月距離38.4萬公里的深空、水深超過300米的深海、地球靜止軌道高度3.58萬公里及以下的近地、醫用防護領域的深體、人工智能網絡空間的深藍等）材料是衡量材料是否先進的主要標志。例如，飛船用材料要求為耐高溫、隔熱、超高強度多功能纖維材料；潛艇用材料要求為耐高壓、耐污、耐腐蝕等纖維材料；深體用材料要求為智能傳感、邏輯反饋、防護等纖維材料。

朱美芳對本刊記者說，雖然在過去的20年里，纖維狀能量轉換和存儲器件的研究取得了很大的進展，但在未來的研究中仍存在一些挑戰：纖維狀能源相關設備的功率容量仍落后于塊狀設備，延長其長度和直徑是提高其能量轉換和存儲容量的主要策略；纖維狀能源相關器件的性能評價沒有統一的標準，如機械柔性和纖維質量、體積、面積的計算方法等；將實驗設備推向工業產品對纖維狀器件來說至關重要；安全性是將纖維狀能量存儲和轉換設備應用于智能紡織品的最關鍵問題；對于復雜的應用場景，必須將更多功能單元集成到單個功能性纖維中。

“我國正在向纖維強國、科技強國邁進，還有很多‘卡脖子’的核心技術有待攻堅突破，科研工作者尤其要有憂患意識，瞄準奮斗方向，絲毫不能放松。”朱美芳說。科技“趕考”，任重道遠。