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核心材料必须攥在自己手里 碳纤维复合材料国产化的现状与思考

   日期:2019-11-01     来源:碳纤维生产技术    浏览:390    
核心提示:这里的碳纤维复合材料,是指能够代替金属材料制造结构零件的,树脂基碳纤维复合材料。树脂基碳纤维复合材料是由两部分组成:碳纤维和基材树脂。一.国产碳纤维的水平碳纤维技术一直被美国和日本等国垄断,但由于我国政府的高度重视,和科研院校、企业等多方面
 这里的碳纤维复合材料,是指能够代替金属材料制造结构零件的,树脂基碳纤维复合材料。树脂基碳纤维复合材料是由两部分组成:碳纤维和基材树脂。

 

一.国产碳纤维的水平

 

碳纤维技术一直被美国和日本等国垄断,但由于我国政府的高度重视,和科研院校、企业等多方面的努力,目前我国已经有多达20几家生产碳纤维的企业。同时还有较多的技术实力雄厚的科研院校,从事碳纤维的研发工作。

 

1.碳纤维的命名

 

碳纤维在制造过程中,有一道碳化工序。碳化工序是首先在低温炉中进行,最后进入高温炉中碳化。

 

在1315°C碳化的纤维,其中含有93%到95%的碳。拉伸模量225-300GPa(东丽用T表示)。

 

在1900°C到2480°C的温度下石墨化的纤维,含有99%以上的碳元素。拉伸模量300-700GPa(东丽用M表示)。

 

上述两种碳纤维的拉伸模量不同,拉伸强度差别很大(见表1.)。两种纤维的用途也截然不同。T类纤维多用于飞机受力结构件;M类纤维多用于航天飞船、卫星上,要求耐温差、不变形、高精度的零件。

 


 
 
 

表1. 东丽最新碳纤维性能表

 

对两种含碳量不同、用途不同的碳纤维,东丽分别用T和M后加数值表示。这种命名法一目了然显示出不同特点的纤维。国产碳纤维总要走出国门。借鉴东丽的命名法,将有助于进入国际市场。

 

2.国产碳纤维与东丽的差距

 

从表1.明显看出,东丽已经投入工业化生产的碳纤维,性能各异、品种繁多。而且陆续有新品种问世。过去一些媒体报道中,经常将国产T800量级碳纤维,看成代表国际水平。其实真正用于民机上的是T800H和T800S。T800H用于制造波音777尾翼,T800S用于制造波音787机身、机翼、尾翼。

 

表中的T1100G的拉伸强度7.0GPa,拉伸模量324GPa。这个模量已经超过中模量数值,故叫中高模量(IM+)。这种碳纤维配合新的基材树脂3960,将民机应用复合材料推向更高水平。

 

宁波材料研究所“高模量,高强度”碳纤维,拉伸强度为4.86GPa、拉伸模量为541GPa。它也只能与东丽MJ50相比。

 

3.工信部碳纤维的研发指标太低 (见表2.)

 


 
 
 

表2. 工信部文件

 

在示范指导目录第177项中,“高强中模型:拉伸强度≥5500MPa……” 这个数值只是相当于东丽的T800H。波音787双通道民机机身、机翼要用到5880MPa的拉伸强度。

 

4.生产企业的规模和产能

 

截至到2018年,我国有20多家碳纤维生产企业。总产能号称26000吨,实际产量约8000吨。所有碳纤维企业的产量加起来,赶不上日本一家企业的50%。

 

综上,我国碳纤维的水平与东丽,还有很大的差距。9月19号《中国汽车报》专题采访报道:院士:到2025年我国碳纤维技术有望达到世界先进水平。看来是达不到了。

 

二.国产树脂基材

 

树脂基材(matrix)是以一种树脂为基础,在其中分别加入固化剂、催化剂、增塑剂和一些特殊功能颗粒,组成的高分子混合物。基材约束增强纤维, 形成复合材料组件的并确定其表面质量。

 

树脂基材在纤维增强复合材料中的作用是:

 

1)传递纤维之间的应力

2)提供一个屏障来抵御不利的环境

3)保护纤维表面免受机械磨损

 

基材树脂按其中的主要树脂,又分为热固性和热塑性两大类。

 

用纤维增强复合材料制造零件,不同工艺要用不同的树脂基材。不同工业、不同环境使用的基材树脂也大不相同。飞机主要受力结构件,用环氧树脂基材,多数要在热压罐中高温、高压,长达10小时左右固化。汽车工业恰恰相反,要求不用热压罐,在高温炉中固化。且固化时间要在5分钟左右。长期接触海水的基材树脂要求耐海水的侵蚀。飞机附油箱所用的基材树脂,要求有一定的耐航空煤油的特性。

 

1.国际树脂基材的特点

 

1).一般民用工业所用的树脂基材,大多从化工企业采购。如,宝马i3所用的碳纤维复合材料,碳纤维纺织物是由SGL公司提供。基材树脂是亨斯迈先进材料公司(美国德克萨斯州林地和瑞士巴塞尔)生产的Araldite LY3585环氧树脂,固化剂为XB 3458。注入的压力超过40 bar/580psi。环氧树脂在100°C/212°F的温度下可以在5 分钟内固化。

 

一些极特殊产品(如,88.4米长的风电叶片)所用的碳纤维复合材料,其中基材树脂是由制造产品公司(丹麦LM 风电叶片公司)自己开发的。

 

2).民用航空所用的树脂基材,要求通过适航认证。适航认证的目的,是为了保证用复合材料制造出来的零件,性能达到要求,而且性能稳定一致。因此,不仅要求基材树脂、碳纤维的性能分别能达到稳定一致。而且还要求它们混合组成的复合材料,也得稳定一致。

 

复合材料的性能要达到稳定一致,这里又引出一个话题。基材树脂与碳纤维结合程度,直接影响复合材料的性能。碳纤维与基材树脂的结合,实际上是碳纤维表面的浆料(上浆剂)与基材树脂的结合。浆料是碳纤维生产企业的专利。不同的碳纤维生产企业,使用的浆料和用量不一样。这样一来从市场上化工企业购买基材树脂,很难达到与碳纤维结合达到稳定一致的要求。

 

基于上述认识,生产碳纤维的企业自己研发、生产基材树脂。将浆料和上浆工艺与基材树脂,结合在一块,相辅相成,取长补短,研发、制造。基材树脂与碳纤维配套生产,配套供应,成为一个突出的特点。

 

有一个特例。俄罗斯MC-21复合材料机翼,材料是苏威(Solvay)公司提供的:

 

碳纤维是PRISM® TX 1100干纤维带;

环氧树脂基材PRISM® EP 2400。

 

但是PRISM® TX 1100干纤维带中所用的碳纤维是帝人(Teijin)公司的IMS65 24K碳纤维无捻纱。IMS65是经过适航认证的。[IMS65 24K碳纤维:拉伸强度6000MPa; 拉伸模量290GPa ]

 

2.国产树脂基材现状

 

目前国内还没有工业化的、有品牌的树脂基材产品。现使用的基材树脂来自科研院所和一些大型企业,自己研发的产品。也有从化工外企购买。

 

国产树脂基材没有工业化生产,又不能取得适航认证。这个问题总得解决。不能再拖下去了!