作者:沈春蕾 钱鑫 来源:中国科学报 发布时间:2018/4/2 9:03:31
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宁波材料所:
国产石墨纤维实现连续稳产

 

■本报记者 沈春蕾 通讯员 钱鑫

高强高模碳纤维(又称石墨纤维)是我国新材料领域重点发展的一类材料,其关键制备技术一直以来被国外掌控。近日,中科院宁波材料所在石墨纤维关键制备技术方面取得重要进展,实现国产M60J石墨纤维关键制备技术突破。

宁波材料所特种纤维事业部团队负责人宋书林研究员告诉《中国科学报》记者:“我们已经掌握结构与性能关联性规律,并建立国产石墨纤维树脂基复合材料的应用评价体系,为碳纤维工程化制备和复合材料应用提供坚实的理论和实践基础,国产石墨纤维实现连续稳产。”

石墨纤维有何不同

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。

碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000兆帕、模量为100GPa(1GPa=1000兆帕)左右。高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000兆帕、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。

随着航天和航空工业的发展,还出现了高强高模碳纤维,其中应用最广的是聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)。PANCF按照性能可分为高强中模和高强高模等类型。其中,国内高强中模型碳纤维拉伸强度最高可达6.5GPa,模量在300GPa左右。

宁波材料所特种纤维事业部技术负责人张永刚指出,我们制备得到的M60J石墨纤维拉伸强度为5.24GPa、拉伸模量为593GPa。“从数据上看,石墨纤维拉伸模量远高于高强中模碳纤维,强度略有损失。”

这里的石墨纤维含碳量高达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。

突破关键制备技术

碳纤维制备是一个系统工程,包含一系列复杂的物理化学反应。由于部分反应的机理还未研究透彻,以及相关反应所需要设备的限制,均增加了碳纤维制备的难度。

国际上的碳纤维市场竞争并不充分,大部分的份额被日本和美国等国家的少数公司垄断着,这也导致碳纤维制品的售价较高。

多年来,国外掌握的石墨纤维关键制备技术对我国严格封锁。这一局面随着国内碳纤维制备技术的逐步提升有所改善,相关科研单位正在提高关键装备的成熟度,为制备石墨纤维提供了理论和装备基础。

石墨纤维是在纤维高温碳化后,经过进一步石墨化制备得到,石墨化程度非常高。张永刚告诉记者:“石墨化技术是制备石墨纤维的关键,主要包括装备制造关键技术和碳纤维全流程制备技术。”

当前已知理论认为,石墨化温度越高,碳纤维拉伸模量也越高,因此首先需要能够提供足够高温度的石墨化装置。通常,在2200℃以上纤维的石墨化程度逐步提高,温度进一步提升,纤维石墨化结构进一步完善,理想状态是,石墨化温度达到3000℃。

张永刚也指出其中的难点是,限于材料耐温性能和装备加工水平,很难获得满足要求的石墨化装备。

为了突破高等级石墨纤维,必须从结构与性能关联性研究出发。宁波材料所特种纤维事业部通过采取精细结构调控,严格把控工艺条件,优化纤维石墨化结构,提升纤维宏观性能。

经努力攻关,团队在较低石墨化温度下,获得了石墨纤维M55J和M60J的性能突破。此外,石墨化温度的降低,有效延长了石墨化装备的寿命,实现了性能与成本的匹配。

稳定技术规模生产

近年来,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,2015年5月,特种纤维事业部制备得到M50J石墨纤维,拉伸强度及拉伸模量分别高达5.12GPa、475GPa。

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的石墨纤维,后续进一步实现了国产M55J石墨纤维连续稳定生产。

随后,宁波材料所特种纤维事业部针对国产石墨纤维工艺分析、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,制备出国产M60J石墨纤维。

张永刚指出,与日本东丽M60J石墨纤维(拉伸强度3.92GPa、拉伸模量588GPa)相比,我们制备的国产M60J(拉伸强度5.24GPa、拉伸模量593GPa)继续保持了拉伸强度上的优势。

当前,国产石墨纤维发展迅速,宁波材料所、北京化工大学等科研单位先后突破了国产M55J石墨纤维制备技术,国内部分企业正在开展M55J工程化技术攻关。

宁波材料所国产M60J石墨纤维关键制备技术的突破,将进一步促进国内在石墨纤维领域的技术发展。目前国内石墨纤维行业发展尚不成熟,多以军工项目为主,民用方面还有待进一步探索。

张永刚表示:“石墨纤维的潜在应用领域非常广泛,我们将在实现制备技术稳定及形成生产规模的基础上逐步去拓展。”

《中国科学报》 (2018-04-02 第6版 院所)
 
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