中国科学院院士朱美芳：在纤维材料领域展现中国科研力量

文/本刊记者 段永利

随着科技的不断进步和发展，人们对新材料的需求越来越高，新型纤维材料也得到了研究人员的广泛关注，其研究与应用前景十分广阔，在服装、建筑、医疗等领域有着不可估量的价值。2023年7月，中国科学院院士、东华大学材料科学与工程学院院长朱美芳带领团队开发出超强韧人造蜘蛛丝，在纤维材料研究中取得了重大突破，目前有待实现大规模的工业化生产。

自2020年以来，新型冠状病毒感染疫情在全球反复多点暴发，防护服成了“抢手货”。由多层复合材料制成的防护服“密不透风”，里三层外三层，光是穿上身就要分7步，导致医护人员皮肤出现勒痕、瘀青甚至出血。尤其在高温情况下，穿着防护服犹如在蒸笼里一般，普通人坚持一小时都非常困难。防护服成本昂贵，一旦脱下就不能再次使用，为了节约资源，医护人员都尽量不喝水、不上厕所，尽管穿着不适但又万分珍惜。

朱美芳团队通过瞬时释压纺丝成形新技术，开发出高阻隔、高耐磨、高透气性的安全防护材料，部分物化指标甚至超过了杜邦公司的明星产品——“特卫强”（Tyvek），从而制备出一系列有限次使用的医用防护服。本刊记者为此专访了这位纤维材料界的“带头人”。

科技报国的学术基因

“要说起从事纤维改性研究工作的缘由，还得从1989年1月说起，那时我刚入职没几天，就跟着当时的系主任陈彦模坐着卡车去了张家港涤纶厂。只有深入到企业才能发现问题，这也是科研的魅力所在。”朱美芳对本刊记者说。

哪里有问题，哪里就有研究课题；哪里有需求，哪里就是研究方向。这一直是朱美芳及其团队的科研原则和共同目标，也成为流淌在她血液里的学术基因。

“蒙泰”，是朱美芳带领的课题组的名字，源于20世纪90年代初课题组研制开发的“蒙泰丝”——细旦聚丙烯纤维。这种纤维柔软可染色，还可以赋予不同功能，实现了单一成果的可持续创新发展。“蒙学善问，泰定求真”成为团队师生研习的共同追求。

在东华大学材料科学与工程学院，朱美芳继承了老一辈东华“材料人”的学术基因和科研精神，坚持认为学生始终是她潜心开发的首要“材料”，并且做到因材施教。朱美芳坚持给本科生上第一堂课和最后一堂课，帮助学生扣好学业和职业生涯的“第一粒扣子”。朱美芳给本科生上的第一堂课主要介绍材料学科的概况和国内外材料领域的发展趋势，目的是为激发学生的学习兴趣。她给大四毕业生上最后一堂课，主要是给学生讲材料制备方法学、国际材料前沿和材料行业情况，帮助学生实现从本科生到研究生或企业人的过渡。

在科研道路上，材料科学与工程学院和课题组的青年教师们也感激朱美芳的教导，尤其是启发他们对科学问题的思考，对他们科研态度产生了潜移默化的影响。

朱美芳团队历经10余年攻关，创新性地提出了有机无机原位杂化构筑高感性多功能纤维的新思路，发明了聚酯聚合过程跨尺度微纳结构功能相的原位构筑及其均匀分散新方法，建立了双螺杆限域空间和多外场诱导下聚合物与功能无机颗粒复合体系相结构的调控机制，研发了功能纤维微细化、异截面、复合加工“多相纺丝成形”新技术，构筑了多功能纤维的全链条设计与一体化实施新策略。该项目拥有完全自主知识产权，授权发明专利40余项，出版专著1部、发表论文50余篇。在多家合作单位成功实现产业化，开发了5大系列30多类产品，在国内外知名品牌中获得成功应用，并延伸应用至高端运输和国防军工等领域，经济效益和社会效益显著，获得2020年度国家技术发明奖二等奖。

近年来，朱美芳带领团队始终聚焦国家重大战略和地方经济社会发展需求，通过纤维与纳米、生物、仿生等学科的交叉融合，在化学纤维理论和技术方面不断突破，重点研发与航空航天、国防军工、生命科学、信息和环保技术、新能源等相关的多功能、高性能及纳米纤维材料，在生物医用材料、石墨烯纤维、智能水凝胶等领域均有建树，促进了我国纤维材料的高功能化、纳米化及智能化发展。

搞“接地气”的科研

针对医护用防护服不透气且只能一次性使用的问题，朱美芳暗下决心，“要做就做国内没有的，国家重点实验室就是要在国家最需要的时候，急国家所急，解国家之难”。为有效应对疫情，东华大学材料科学与工程学院校友、科技企业总经理罗章生，与朱美芳团队一拍即合，主动担当战“疫”行动派，依托纤维材料改性国家重点实验室这支材料“国家队”的硬核支撑，他们第一时间立项，20天完成“新型冠状病毒感染疫情医卫防护材料应急专项”布局，在防护用无纺布方面加急攻关，校企双方还联合申报并获国家自然科学基金委应急专项支持。

2020年春季，项目团队已向武汉方舱医院、湖北汉川人民医院、中国疾控中心传染病研究所、复旦大学上海医学院等抗疫一线单位，以及美国纽约州先进能源技术中心、德国德累斯顿工业大学等合作单位捐赠研发的Rowelk有限次防护服5000余件（套）。

短短两个多月，这种“舍我其谁”的科研态度，成为朱美芳和团队人员非常时期的“新常态”。有限次使用连体防护服等25个医卫防护材料项目，或实现量产化，或取得实质性突破，或形成前瞻性发展布局。

搞“接地气”的科研，朱美芳一做就是30多年。

30多年来，朱美芳带着团队将“杂化材料”概念植入纤维界，通过创新合成方法和纳米复合技术，对有机、无机材料进行多尺度、多维度和多组分复合。让不同材料在纳米的微观世界中合而为一，变身为性能可控、功能更强的新材料。例如，水洗50次后，功能纤维及纺织品仍能保持优异的抗菌效果；可排汗、导湿的运动休闲面料，还能升级“加载”抗菌、阻燃、相变等功能……

朱美芳团队依托的东华大学纤维材料改性国家重点实验室，坚持产学研用相结合，在国防军工急需的三大高性能纤维材料，以及关乎民生的功能共聚酯、纳米复合功能纤维、大容量聚酯熔体直纺等通用纤维领域取得了系列标志性成果；并在民用航空及汽车轻量化复合材料和光、电、热等能量转换功能材料领域已形成新的增长点。朱美芳团队的研究成果和专利转化效益惠及年产值达万亿元的纤维材料行业，技术成果获得国家技术发明奖和国家科技进步奖16项、省部级科技奖项170余项，为我国跃升世界纤维生产第一大国并向世界强国迈进作出了重大贡献。

以碳纤维为例，纤维材料改性国家重点实验室与中复神鹰碳纤维股份有限公司合作，攻克了聚丙烯腈基碳纤维大规模产业化难题。2017年，联合中复神鹰碳纤维股份有限公司建立国内首条千吨T700级和百吨T800级碳纤维生产线，获得国家科技进步奖一等奖，打破了国外技术封锁。在纤维材料改性国家重点实验室主任朱美芳院士总体规划下，2018年恒天纤维集团有限公司投入1000万元建立恒天海龙—东华大学高性能碳纤维研发中心，在东华大学建立干喷湿纺试验线，攻克了T1000级以上超高强度碳纤维制备关键技术。

立志攻破“卡脖子”技术

“纤维材料是国家安全、武器装备亟须的关键战略物资，也是新兴战略产业发展亟须的重要支撑材料。我国合成纤维发展60年，从无到有，从少到多，现在产量已经占全球的70%以上，但部分高性能纤维还受制于人，2019年我国超过50%的碳纤维依赖进口。如何实现纤维产业由大到强，还需进一步加强基础研究和原创研究，加强高精尖纤维的开发，拓展纤维的应用领域。”朱美芳说。

先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料是新材料产业的三大发展方向，国内材料类研发机构和校企联合研究院纷纷成立，基础研究投入不断增大。如在智能纤维方面，我国与国际先进水平并驾齐驱，但还需进一步通过政府支持、学科交叉、产学研合作，特别是加强基础性、原创性研究，才能在新一轮国际竞争领域处于有利地位。

朱美芳在和她的研究生们进行技术探讨

朱美芳介绍说，我国的化学纤维产量连续20多年居世界第一，其中2020年的产量已超过全球化学纤维总产量的70%。但在部分高技术纤维、新一代纤维及器件研发和产业化方面还有巨大发展空间。例如高性能纤维中的碳纤维，国内T300、T700、T800级碳纤维目前已经实现规模化生产，但主要以民用领域为主，航空领域应用处于初级阶段。中国仍处在第1代（T300、T700）先进复合材料扩大应用阶段，T800级碳纤维的工程化应用尚处研制阶段，而国外航空航天等领域已经大规模应用以T800级碳纤维为主要增强体的第2代先进复合材料。在碳纤维产业化方面，我国处于跟跑到并跑阶段。国内 T1000、M55J级碳纤维工程化问题尚未完全解决，T1100、M60J级以上高强高模碳纤维制备关键技术有待突破。

极端环境（大于地月距离38.4万公里的深空、水深超过300米的深海、地球静止轨道高度3.58万公里及以下的近地、医用防护领域的深体、人工智能网络空间的深蓝等）材料是衡量材料是否先进的主要标志。例如，飞船用材料要求为耐高温、隔热、超高强度多功能纤维材料；潜艇用材料要求为耐高压、耐污、耐腐蚀等纤维材料；深体用材料要求为智能传感、逻辑反馈、防护等纤维材料。

朱美芳对本刊记者说，虽然在过去的20年里，纤维状能量转换和存储器件的研究取得了很大的进展，但在未来的研究中仍存在一些挑战：纤维状能源相关设备的功率容量仍落后于块状设备，延长其长度和直径是提高其能量转换和存储容量的主要策略；纤维状能源相关器件的性能评价没有统一的标准，如机械柔性和纤维质量、体积、面积的计算方法等；将实验设备推向工业产品对纤维状器件来说至关重要；安全性是将纤维状能量存储和转换设备应用于智能纺织品的最关键问题；对于复杂的应用场景，必须将更多功能单元集成到单个功能性纤维中。

“我国正在向纤维强国、科技强国迈进，还有很多‘卡脖子’的核心技术有待攻坚突破，科研工作者尤其要有忧患意识，瞄准奋斗方向，丝毫不能放松。”朱美芳说。科技“赶考”，任重道远。