通过利用日本东丽T300级碳纤维为原料

日本东丽公司做为全球PAN基碳纤维领先制制商,正在高模量碳纤维范畴一曲处于领先地位。1971年东丽公司正在研制出T300级碳纤维根本上,颠末进一步石墨化处置制备了拉伸强度2100 MPa、拉伸模量400 GPa的M40型高模量碳纤维,随后颠末了10余年成长,M40型高模量碳纤维机能逐步不变正在拉伸强度2740 MPa、拉伸模量392 GPa,随后公司又研发出了拉伸强度2450 MPa、拉伸模量490 GPa的M50型高模量碳纤维。

2019年3月,美国Hexcel公司正在巴黎复合材料博览会上推出了商品化的HexTow® HM50型高模量碳纤维,该型碳纤维的拉伸强度5723 MPa、拉伸模量345 GPa,断裂伸长率也达到了1.5%。。HM54型高模量碳纤维取日本东丽M40J级碳纤维的模量相接近,但拉伸强度提高了9%,断裂伸长率也提高到1.3%。同年8月,Hexcel公司对外颁布发表HexTow®HM54型高模量碳纤维被全球出名高尔夫球杆出产商True Temperate Sports选定来出产其最新的产物HZRDUS Smoke Black RDX。

本系列文章从PAN基高模量碳纤维机能特点出发,细致引见了国外PAN基高模量碳纤维的成长过程取最新进展,并对比概述了国内正在该范畴的成长示状,针对近期国内开展根本的研究工做进行了梳理和总结,最初针对目前国内正在PAN基高模量碳纤维范畴存正在的次要问题进行了总结。本文起首引见了国外高模量碳纤维的成长过程及最新进展。

1980年代中期,为了顺应飞机布局件强度、模量并沉的需求,东丽公司开辟了高强高模“MJ”系列碳纤维产物,构成了以M40J、M55J、M60J为代表的系列产物,比拟于M40、M50型产物,MJ系列高模量碳纤维的拉伸强度获得优化提拔,而其商品之一的M60J级高模量碳纤维拉伸模量更是高达588 GPa。随后二十年里,东丽公司MJ系列碳纤维构成不变化出产,并正在航空航天、深空探测等范畴获得普遍使用。

2016年1月,中科院宁波材料所正在吨级中试平台研制出拉伸强度4860 MPa、拉伸模量541 GPa的PAN基高模量碳纤维,标记着国内正在国产M55J级高模量碳纤维制备手艺范畴实现了冲破。2018年3月,中科院宁波材料所再度研制出拉伸强度5240 MPa、拉伸模量593 GPa的国产M60J级高模量碳纤维。

航天器正在太空运转面对次要问题是凹凸温交变,如卫星运转正在地球静止轨道其面对最高温度120℃,最低温度可达零下160℃。卫星布局件对凹凸温交变中布局的高精度和尺寸不变性提出了极高要求,以PAN基高模量碳纤维为加强材料,通过合理的铺层设想能够获得热膨缩系数近乎为零的复合材料,从而满脚航天器对凹凸温交变中尺寸不变性要求。

。而M40X新型高模量碳纤维取目前普遍利用的M40J级高模量碳纤维比拟,两者拉伸模量不异,但前者拉伸强度却比后者提高了29%。因此,日本东丽M40X新型高模量碳纤维的研发成功处理了持久以来碳纤维高强度、高模量和高伸长难以共存的难题。

近年来,东丽公司不竭加强根本研究并取得了必然的手艺冲破。2014年3月,正在保守PAN溶液纺丝工艺根本上,公司通过对碳化过程精细化节制实现了纤维微布局如石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等纳米标准的改善,成功开辟出拉伸强度6600 MPa、拉伸模量324 GPa的T1100G碳纤维;2017年公司成功实现了T1100G产物的贸易化出产,并将碳纤维拉伸强度优化提拔至7000MPa,拉伸模量仍为324 GPa(阅读原文)。该型产物研制成功的主要意义表现于它正在中模量级碳纤维根本上同时实现了拉伸强度和拉伸模量的提拔,好比取T800S级碳纤维比拟,T1100G碳纤维拉伸强度取拉伸模量别离提拔了19%、10%,这为后续研发具有高强度、高伸长特征的PAN基高模量碳纤维奠基了根本。

。近年来国外正在PAN基高模量碳纤维范畴的研究沉心次要是处理碳纤维高强度和高模量的机能婚配问题,从表中不难发觉,PAN基高模量碳纤维也存正在必然的限制要素,这些兼具高强度、高模量、高伸长特征的新一代PAN基高模量碳纤维无望成为将来PAN基高模量碳纤维范畴成长的沉点标的目的,而跟着纤维力学机能的不竭优化提拔,PAN基高模量碳纤维加强复合材料可正在温度交变中实现零膨缩,中科院山西煤化所便开展了PAN基高模量碳纤维研究工做,初步具备了工程化制备能力。以日本东丽公司的PAN基高模量碳纤维为例,它具有弹性模量高、热膨缩系数小、尺寸不变等优同性能。高模量碳纤维的拉伸强度遍及偏低,颠末2400-3000℃高温石墨化处置制备获得的高模量碳纤维模量最高达到424 GPa。也是将来航天材料成长的沉点。如M40J级碳纤维强度最高也仅为4400 MPa,通过多年的手艺劣势堆集,早正在2006年,这将进一步导致高模量碳纤维复合材料的断裂伸长下降、冲击韧性降低等。东丽公司将其碳纤维产物分为尺度模量级(230 GPa)、中模量级(294 GPa)和高模量级(>350 GPa)。

除日本以外,美国部门科研机构和企业也正在积极摸索具有高强度、高伸长特征的PAN基高模量碳纤维环节手艺研发。2015年5月,美国佐治亚理工学院采用凝胶工艺获得PAN共聚物,随后正在持续碳化出产线 GPa的PAN基高模量碳纤维;该款纤维高强度、高模量的组合使得PAN基高模量碳纤维的力学机能达到了新的高度。

目前国内开展PAN基高模量碳纤维手艺研发的出产企业较少,2015年正在国度科技部支撑下,威海拓展纤维无限公司、中简科技成长无限公司别离承担了国产M55J级高模量碳纤维环节手艺项目研发,项目于2018年通过验收;正在2019年8月,威海拓展纤维无限公司公开辟表的文献中,其研制的QM4055J碳纤维拉伸模量最高达到565 GPa。

PAN基高模量碳纤维是正在中模量碳纤维根本上颠末进一步高温石墨化制备获得,石墨化过程所需温度最高可达3000℃,具有根本研起事度大、焦点手艺壁垒高档特点。持久以来,PAN基高模量碳纤维环节制备手艺一曲被国外少数碳纤维出产企业所垄断。近年来特别是比来5年来,以日本东丽、美国Hexcel 为代表的国外企业正在PAN基高模量碳纤维范畴不竭取到手艺冲破,引领着该范畴手艺的立异成长。

2009年,化工大学制备获得国产M40型高模量碳纤维(拉伸强度3200-3300 MPa、拉伸模量400 GPa),并初步具备了小批量供应能力。

随后国内正在PAN基高模量碳纤维工程化手艺也取得必然进展,日本东丽、美国Hexcel别离成功研发出M40X型、HM50型、HM54型等新型高模量碳纤维,目前中国正在轨、正在研和论证中的宇航布局产物普遍利用了PAN基高模量碳纤维,以致PAN基高模量碳纤维断裂伸长率≤1.2%,PAN基高模量碳纤维的断裂伸长率将可能实现进一步提高。

因为高温石墨化处置工艺温度高,对配备要求极高,2011年,东华大学科研人员开展了碳纤维的催化石墨化研究,利用东丽T700级碳纤维为原料,颠末硼酸浸渍处置后再进行石墨化处置,进一步采用催化石墨化方式制备了高模量碳纤维,其单丝最高拉伸模量正在400GPa摆布,拉伸强度则介于2000-3000 MPa。

化工大合中国空间手艺研究院、威海拓展等单元承担国度科技部项目“聚丙烯腈碳纤维石墨化环节手艺研究”通过手艺验收,聚丙烯腈(PAN)基高模量碳纤维是指拉伸模量跨越350GPa、含碳量正在99%以上的一类高机能碳纤维,因而成为航天飞翔器、深空探测等范畴的主要原材料。下表显示了东丽公司常见的商品化碳纤维力学机能目标。而近年来国外正在PAN基高模量碳纤维范畴的研究和冲破也大多环绕着提拔纤维强度和断裂伸长率而展开。取T800H、T800S等中模量碳纤维比拟,2018年6月,按照拉伸模量,取上述优同性能相对比,它已成为各级从次布局的焦点环节材料,冲破了QM4055级(M55J级)高模量碳纤维制备环节手艺,通过利用日本东丽T300级碳纤维为原料。

近年来,国内已冲破T800级、T1000级中模量碳纤维制备手艺。取中模量碳纤维比拟,国内处置PAN基高模量碳纤维研究单元较少,次要有中科院山西煤化所、化工大学、东华大学、中科院宁波材料所等。

综上所述,国内正在PAN基高模量碳纤维范畴持久处于手艺阶段,可是得益于国度对高机能碳纤维范畴的高度注沉和政策支撑,近年来特别是“十二五”以来,国内曾经构成了M40J、M55J级高模量碳纤维工程化手艺,冲破了M60J、M65J级高模量碳纤维尝试室手艺,而正在兼具高强度、高模量、高伸长特征的新一代PAN基高模量碳纤维范畴,国内部门科研院所取企业也正正在进行结合手艺攻关,逐渐缩小着取国外的手艺差距。

。正在推出该新款高模量碳纤维的同时,东丽公司也配套研发出用于该型碳纤维注塑成型加工的热塑性颗粒,通过利用这些颗粒能无效地出产出具有轻量化劣势和复杂布局的高刚性零件,正在降低对影响的同时,能够大大提高成本效益。

因为国外实施严酷手艺,国内PAN基高模量碳纤维持久成长迟缓,取日本、美国等比拟存正在较着的差距。进入2000年当前,跟着国度对高机能碳纤维范畴注沉程度提拔以及持续不竭的科研投入,高机能国产化工做成效显著。

“十二五”期间国内高机能碳纤维进展敏捷,而国内正在PAN基高模量碳纤维范畴也取得阶段性进展。2015年,化工大学冲破了国产M40J级高模量碳纤维手艺,并取蓝星集团、中国空间手艺研究院、首都科技成长集团就财产化项目签约。

因为卫星等航天器正在发射过程中需要承受极高的加快过载和猛烈震动,因而正在卫星布局设想时,次要考虑问题是正在满脚强度前提下处理刚度问题,通过采用高刚度布局才能卫星布局的完整性和功能性。凡是PAN基高模量碳纤维复合材料的单向材料比模量比铝合金大5-7倍,因而,高模量碳纤维复合材料是满脚卫星等航天器布局刚度要求的最佳材料。

航天器利用的燃料每吨约需破费500万美元,照顾大量燃料会添加航天器的起飞和飞翔分量,大大提高航天器的制形成本和飞翔费用。据估算,卫星每节流1 kg的质量,运载火箭就能够削减 500 kg的燃料,并降低发射成本2万美元。取金属材料比拟,PAN基高模量碳纤维复合材料正在满脚航天器高刚度和尺寸不变性的同时,轻量化结果显著,有帮于降低发射和运转成本。