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宁波材料所高强高模碳纤维研究取得进展,石墨

2019-07-12 06:56

1月28日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所特种纤维事业部在高强高模碳纤维国产化制备技术领域取得突破,制备得到的高性能碳纤维拉伸强度为4.86GPa、拉伸模量为541GPa,在模量达到国外同类产品性能的同时,拉伸强度远优于国外产品,从而打破了国外在该领域的垄断并填补了国内技术空白。

石墨纤维制备技术填补国内空白

近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所在国产高强高模碳纤维关键制备技术研究中取得重要进展,制备得到拉伸强度5.24GPa、拉伸模量593GPa的高强高模碳纤维,实现国产M60J关键制备技术突破。

高强高模碳纤维又称为石墨纤维,与传统高强碳纤维相比,其含碳量高达99%以上,且具有更高的模量。此外,还具有热膨胀系数低、导电性高、热稳定性好、尺寸稳定等优点,在宇宙飞行器及航空航天等领域作为关键材料得到应用。一直以来,高强高模碳纤维的核心制备技术被国外少数几家公司垄断,如日本东丽公司除拥有成熟的T800、T1000等高强中模级碳纤维产品外,还拥有M40J、M50J、M55J、M60J等高强高模级碳纤维产品。鉴于高强高模碳纤维在国防领域的重要意义,其制备技术一直对国内封锁,而其产品也对国内禁运。

本报宁波3月2日讯记者今天从中科院宁波材料所获悉,该所特种纤维事业部在高强高模碳纤维国产化制备技术领域获重大突破,得到的高性能碳纤维拉伸模量为541GPa(达到国外同类产品性能540GPa),拉伸强度为4.86GPa(远优于国外产品4.02GPa),打破了国外在该领域的垄断,并填补了国内技术空白。

2016年1月,宁波材料所在国内率先实现了国产M55J制备技术重大突破,同年9月进行了制备技术验证,并获得拉伸强度4.15GPa、拉伸模量585GPa的高强高模碳纤维,后续研究进一步实现了国产M55J高强高模碳纤维连续稳定生产,纤维主体性能批间批内离散系数<5%。随后,宁波材料所针对国产高强高模碳纤维工艺分析、结构研究、性能优化开展了详细研究,尤其是重点开展高温石墨化环境中碳纤维拉伸强度保留率研究工作,近期成功制备拉伸强度5.24GPa、拉伸模量593GPa的高强高模碳纤维,与日本东丽M60J高强高模碳纤维(拉伸强度3.92GPa、拉伸模量588GPa)相比,继续保持了拉伸强度上的优势。

宁波材料所特种纤维事业部成立于2008年,成立伊始便以高性能碳纤维作为研制目标,依托国家发改委碳纤维制备技术国家工程实验室、国家发改委碳纤维检测表征平台等先后突破了高强中模碳纤维中试及工程化技术。2014年年底,事业部开始高强高模碳纤维的研制工作,于2015年5月成功制备得到M50J级高强高模碳纤维,经过航空、航天、核能等单位检测,拉伸强度及拉伸模量分别高达5.12GPa、475GPa,该性能达到甚至超过了国外同类产品,随后进行了连续稳定化的生产。2015年年底,事业部开展了更高一级M55J级高强高模碳纤维研制工作,并于2016年1月底成功实现其制备技术突破。目前,宁波材料所已经具备M40J、M46J、M50J级产品连续稳定生产能力,并形成了M55J级高强高模碳纤维制备技术。

高强高模碳纤维又称石墨纤维,其含碳量高达99%以上,具有更高的模量,且热膨胀系数低、导电性高、热稳定性好、尺寸稳定,在宇宙飞行器及航空航天等领域可作为关键材料。但其核心制备技术却被国外垄断,并对我国封锁。

高强高模碳纤维具有拉伸模量高、热膨胀系数小、尺寸稳定等系列优点,依靠其独特结构与性能优势,成为宇宙飞行器及航空航天等领域关键原材料。近年来,国产高强高模碳纤维发展迅速,宁波材料所、北京化工大学等先后突破了国产M55J高强高模碳纤维制备技术,国内部分企业也开展了M55J工程化技术攻关。宁波材料所国产M60J高强高模碳纤维关键制备技术的突破,将有力促进国内该领域的技术发展。

国产M55J级高强高模碳纤维虽然在主体性能上达到甚至超过了国外同类产品,但高级工程师张永刚认为目前仍需要解决M55J级国产碳纤维的稳定化生产及复合材料加工时纤维与基体匹配性等问题。为此,在未来工作中,王雪飞、钱鑫将分别针对高强高模碳纤维结构及性能稳定化、纤维表面结构设计与复合材料性能相关性等领域开展研究工作。

宁波材料所先后突破了高强中模碳纤维中试及工程化技术。于2015年5月成功制备得到M50J级高强高模碳纤维,拉伸强度及拉伸模量分别高达5.12GPa、475GPa。去年年底,研究人员开展了更高一级M55J级高强高模碳纤维研制工作,并于最近成功实现其制备技术突破。

在开展国产系列高强高模碳纤维技术突破及稳定化制备的同时,宁波材料所与国内碳纤维及其复合材料上下游企业建立了良好合作关系,开展了国产M55J级碳纤维预浸料制备和复合材料性能评价工作,并将开展构件评价与验证等工作。相关研究团队也将在国产M55J级高强高模碳纤维应用评价工作基础上,进一步开展国产M60J级高强高模碳纤维稳定制备技术研究,与国内碳纤维优势企业密切合作,积极开展产学研合作,支撑相关任务的发展。

据悉,特种纤维事业部在实现M55J级高强高模碳纤维稳定化生产的同时,后续将开展M60J级高强高模碳纤维的研制工作。

宁波材料所已具备M40J、M46J、M50J级产品连续稳定生产能力,并形成了M55J级高强高模碳纤维制备技术。“国产M55J级高强高模碳纤维虽然在主体性能上达到甚至超过了国外同类产品,但仍须解决稳定化生产及复合材料加工时纤维与基体匹配性等问题。”该所高级工程师张永刚说。

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《中国科学报》 (2016-03-03 第1版 要闻)

宁波材料所高强高模碳纤维研究取得进展

宁波材料所制备的M55J级高强高模碳纤维及织物

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