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是什么卡了中國碳纖維的脖子：環(huán)氧樹脂韌性不足，缺股勁兒

2018-06-28 10:54:37 作者：本網(wǎng)整理來源：科技日報、碳纖維生產(chǎn)技術(shù) 分享至：

“碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)很多，包括上游原絲生產(chǎn)、中游碳化環(huán)節(jié)、下游復(fù)合材料及其應(yīng)用，經(jīng)過十多年的研發(fā)和突破，目前我國碳纖維的‘卡脖子’問題主要在下游應(yīng)用環(huán)節(jié)，即復(fù)合材料和制品方面。”中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會副會長賀燕麗說。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料，之所以其質(zhì)量能比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，還能耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等特性，其中一個關(guān)鍵的復(fù)合輔材就是環(huán)氧樹脂。

環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的物理機(jī)械和電絕緣性能，附著力強(qiáng)，能將碳纖維粘接在一起。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的高端碳纖維，所使用的環(huán)氧樹脂全部都是進(jìn)口的。

脆弱的環(huán)氧樹脂改性之難

碳纖維按照力學(xué)性能可分為高強(qiáng)型、超高強(qiáng)型、高模量型和超高模量型。在日本東麗公司產(chǎn)品代號中，T指橫截面面積為1平方厘米單位數(shù)量的該類碳纖維可承受的拉力噸數(shù)，即T數(shù)越高，碳纖維質(zhì)量越好；模量指受外拉力或壓力后恢復(fù)原形的拉伸模量。目前，我國已能生產(chǎn)T800等較高端的碳纖維了，但日本東麗掌握這一技術(shù)的時間是上世紀(jì)90年代。

日本東麗公司碳纖維命名規(guī)則中國復(fù)合材料集團(tuán)有限公司董事長張定金說，相比于碳纖維，我國高端環(huán)氧樹脂產(chǎn)業(yè)落后于國際的情況更為嚴(yán)重。特別是應(yīng)用在飛機(jī)、航空航天等領(lǐng)域的高端碳纖維中。

分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基團(tuán)的高分子化合物統(tǒng)稱為環(huán)氧樹脂，除碳纖維外，還廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、家電和土建工程等領(lǐng)域。高端環(huán)氧樹脂依賴進(jìn)口一方面與我國化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱有關(guān)，另一方面與環(huán)氧樹脂本身特性有關(guān)。一個分子鏈上有兩個以上的多官能團(tuán)分子，可以交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。而航空結(jié)構(gòu)件的使用環(huán)境極為嚴(yán)苛，碳纖維復(fù)合材料必須能長期耐得住上百攝氏度的高溫和零下幾十?dāng)z氏度的低溫；同時，在濕熱條件下玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彈性模量及壓縮強(qiáng)度不能顯著下降，這就需要更高官能度、環(huán)氧值而且黏度合適的相關(guān)產(chǎn)品。

分子中能參與反應(yīng)的官能團(tuán)數(shù)被稱作官能度，有業(yè)內(nèi)人士表示，不是官能度越高越好。能度太高，復(fù)合材料會過于堅硬無韌性。因此，必須具體到在不同使用條件下，考慮強(qiáng)度、模量、韌性、高低溫、疲勞等，從配方體系、分子結(jié)構(gòu)去分析，這是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工作，而且科技含量高、研究難度大。

環(huán)氧樹脂的耐候性與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有直接關(guān)系，復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用時，普遍要求環(huán)氧樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不能低于180℃，而目前國產(chǎn)樹脂領(lǐng)域絕大多數(shù)企業(yè)還不具備相關(guān)技術(shù)。

缺智能自動化設(shè)備

對連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使用性能構(gòu)成最大威脅的是復(fù)合材料的低速沖擊分層損傷，這也是高性能復(fù)合材料能否在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用的核心。造成復(fù)合材料對沖擊分層損傷敏感的主要原因之一是環(huán)氧樹脂本身韌性不足。

為滿足要求，增韌后的復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI值）至少需達(dá)到200-300兆帕水平。目前，國際上通行的樹脂增韌方法包括原位粒子增韌或離位插層增韌。“各分子間組合關(guān)系非常復(fù)雜，要最終達(dá)到剛韌兼顧，沒有長期的研究基礎(chǔ)和多年實(shí)驗(yàn)自然很難研制成功。”樹脂協(xié)會環(huán)氧分會秘書長孔振武說。

“環(huán)氧樹脂的改性還與智能自動化設(shè)備息息相關(guān)。”東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授余木火表示，我國碳纖維生產(chǎn)時間短，缺乏低成本的成套自動化生產(chǎn)設(shè)備，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品穩(wěn)定性不足等問題。

“還需要對這樣的智能化設(shè)備加大研發(fā)和生產(chǎn)力度。”賀燕麗說。

應(yīng)用牽引不足進(jìn)步慢

環(huán)氧樹脂情況特殊，“不同用途，其結(jié)構(gòu)和性能等都不同。”孔振武說，我國碳纖維材料生產(chǎn)與應(yīng)用相互脫節(jié)，應(yīng)用對之牽引不足，沒有反饋修正，環(huán)氧樹脂等技術(shù)進(jìn)步自然也就慢了。

目前，高端碳纖維用得最多的是在飛機(jī)上，如在波音B787機(jī)型上，使用東麗公司生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料已占總材料用量的50%。2016年，東麗公司的碳纖維產(chǎn)量約為4萬噸；而我國碳纖維企業(yè)30多家，總產(chǎn)能2萬噸左右，實(shí)際產(chǎn)量約7000噸。

東麗碳纖維大量使用在波音上絕非是一朝一夕之功。從上世紀(jì)80年代開始，東麗公司就和波音進(jìn)行全方位合作，東麗人甚至是住到了波音公司里，根據(jù)波音要求來設(shè)計、生產(chǎn)碳纖維。直到2011年—2012年，使用碳纖維的飛機(jī)才開始試飛，磨合時間長達(dá)近30年，并根據(jù)波音的使用要求和反饋，不斷糾錯、修正產(chǎn)品。

此外，在一個行業(yè)中一旦形成領(lǐng)先效應(yīng)，超越就很難。目前波音飛機(jī)、美國F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)上使用的碳纖維環(huán)氧樹脂都來自美國亨斯曼公司。余木火說，亨斯曼的產(chǎn)品早已通過了材料和工藝認(rèn)證，如果要使用其他企業(yè)生產(chǎn)的環(huán)氧樹脂，還需要一個漫長、繁復(fù)的論證過程，碳纖維生產(chǎn)企業(yè)自然愿意使用亨斯曼的。這也不利于國內(nèi)高端環(huán)氧樹脂產(chǎn)品迎頭趕上。

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日本東麗研發(fā)高性能3940號系列樹脂，解決高模量與高韌性無法共存的技術(shù)難題復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能提升30%。

導(dǎo)讀

東麗官網(wǎng)在2017年3月7日宣布，針對航空航天市場推出號稱世界上性能最好的新一代碳纖維預(yù)浸料，其拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能比上一代產(chǎn)品均提升了30%。該產(chǎn)品解決了長久以來高模量和高韌性不可得兼的技術(shù)難題，可以耐受溫度極值（極高溫和極低溫），充分迎合了航空航天應(yīng)用的技術(shù)需求和市場期待，在上述領(lǐng)域或?qū)⒋笥凶鳛椤?/span>

日本東麗公司是如何實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能比上一代產(chǎn)品均提升了30%？下面碳纖維生產(chǎn)技術(shù)小編（微信號：txwscjs）為您細(xì)說。

日本東麗旗下的3900系列高性能碳纖維預(yù)浸料產(chǎn)品，被用于制造飛機(jī)和航天器的主結(jié)構(gòu)部件，迄今為止已積累了二十余年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。近年來，航空航天工業(yè)對輕量化結(jié)構(gòu)的需求呈不斷擴(kuò)大趨勢，對飛行載荷和抗沖擊性能等力學(xué)指標(biāo)也有了更高的要求。

作為生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的兩大基本原料，人們對碳纖維和基體樹脂的品質(zhì)也相應(yīng)地有了更高的要求。

1樹脂

此次問世的新一代碳纖維預(yù)浸料的技術(shù)關(guān)鍵在于樹脂。

東麗公司通過對樹脂的分子構(gòu)造和固化反應(yīng)進(jìn)行精確控制，有效壓縮了分子鏈之間的空隙，提高了分子網(wǎng)絡(luò)的致密程度，打破了高模量與高韌性無法共存的技術(shù)難題，從而研發(fā)出二者兼得的高性能3940號系列樹脂。

這款編號為3940的熱固性樹脂能夠充分發(fā)揮東麗旗下碳纖維材料的性能優(yōu)勢，從分子層面提升碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。該樹脂在力學(xué)性能方面有了長足的進(jìn)步，因而可以在最為嚴(yán)苛的太空環(huán)境下正常作業(yè)，恰好滿足了航空航天工業(yè)的技術(shù)需求。

2碳纖維

更進(jìn)一步，將3940號樹脂與世界上強(qiáng)度最高的T1100G碳纖維結(jié)合，就產(chǎn)生了世界上強(qiáng)度最高的碳纖維復(fù)合材料。其拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能與前一代產(chǎn)品相比，大幅提升了30%；同時，抗壓能力和抗剝離性能也有了不小的提升，而這些都是航空航天工業(yè)所看重的技術(shù)指標(biāo)。

據(jù)稱，這種新型碳纖維復(fù)合材料可以減輕部件20%的重量，在航空器機(jī)翼、機(jī)身、發(fā)動機(jī)等結(jié)構(gòu)和部件上擁有廣泛的應(yīng)用前景。

航空航天工業(yè)是東麗最為看重的市場之一，在資源投入方面享有優(yōu)先和便利。今后，東麗將進(jìn)一步開發(fā)新一代碳纖維預(yù)浸料的加工工藝，加大制品研發(fā)力度，力求滿足航空航天工業(yè)的市場需求。

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