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环氧树脂韧性不足,国产碳纤维缺股劲儿——亟待攻克的核心技术
发布:kittyll   时间:2018/6/29 11:08:11   阅读:1477 
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“碳纤维产业链核心环节很多,包括上游原丝生产、中游碳化环节、下游复合材料及其应用,经过十多年的研发和突破,目前我国碳纤维的‘卡脖子’问题主要在下游应用环节,即复合材料和制品方面。”中国化学纤维工业协会副会长贺燕丽说。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料,之所以其质量能比金属铝轻,但强度却高于钢铁,还能耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特性,其中一个关键的复合辅材就是环氧树脂。环氧树脂具有优良的物理机械和电绝缘性能,附着力强,能将碳纤维粘接在一起。但目前国内生产的高端碳纤维,所使用的环氧树脂全部都是进口的。

脆弱的环氧树脂改性之难

碳纤维按照力学性能可分为高强型、超高强型、高模量型和超高模量型。在日本东丽公司产品代号中,T指横截面面积为1平方厘米单位数量的该类碳纤维可承受的拉力吨数,即T数越高,碳纤维质量越好;模量指受外拉力或压力后恢复原形的拉伸模量。目前,我国已能生产T800等较高端的碳纤维了,但日本东丽掌握这一技术的时间是上世纪90年代。

中国复合材料集团有限公司董事长张定金说,相比于碳纤维,我国高端环氧树脂产业落后于国际的情况更为严重。特别是应用在飞机、航空航天等领域的高端碳纤维中。

分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂,除碳纤维外,还广泛应用于机械、电子、家电和土建工程等领域。高端环氧树脂依赖进口一方面与我国化学工业基础薄弱有关,另一方面与环氧树脂本身特性有关。一个分子链上有两个以上的多官能团分子,可以交联反应而形成不溶、不熔具有三向网状结构的高聚物。而航空结构件的使用环境极为严苛,碳纤维复合材料必须能长期耐得住上百摄氏度的高温和零下几十摄氏度的低温;同时,在湿热条件下玻璃化转变温度、弹性模量及压缩强度不能显著下降,这就需要更高官能度、环氧值而且黏度合适的相关产品。

分子中能参与反应的官能团数被称作官能度,有业内人士表示,不是官能度越高越好。能度太高,复合材料会过于坚硬无韧性。因此,必须具体到在不同使用条件下,考虑强度、模量、韧性、高低温、疲劳等,从配方体系、分子结构去分析,这是一个非常复杂的系统工作,而且科技含量高、研究难度大。

环氧树脂的耐候性与玻璃化转变温度有直接关系,复合材料在航空领域应用时,普遍要求环氧树脂玻璃化转变温度不能低于180℃,而目前国产树脂领域绝大多数企业还不具备相关技术。

缺智能自动化设备

对连续碳纤维增强复合材料使用性能构成最大威胁的是复合材料的低速冲击分层损伤,这也是高性能复合材料能否在飞机结构中推广应用的核心。造成复合材料对冲击分层损伤敏感的主要原因之一是环氧树脂本身韧性不足。

为满足要求,增韧后的复合材料冲击后压缩强度(CAI值)至少需达到200—300兆帕水平。目前,国际上通行的树脂增韧方法包括原位粒子增韧或离位插层增韧。“各分子间组合关系非常复杂,要最终达到刚韧兼顾,没有长期的研究基础和多年实验自然很难研制成功。”树脂协会环氧分会秘书长孔振武说。

“环氧树脂的改性还与智能自动化设备息息相关。”东华大学材料科学与工程学院教授余木火表示,我国碳纤维生产时间短,缺乏低成本的成套自动化生产设备,导致生产效率低、产品稳定性不足等问题。

“还需要对这样的智能化设备加大研发和生产力度。”贺燕丽说。

应用牵引不足进步慢

环氧树脂情况特殊,“不同用途,其结构和性能等都不同。”孔振武说,我国碳纤维材料生产与应用相互脱节,应用对之牵引不足,没有反馈修正,环氧树脂等技术进步自然也就慢了。

目前,高端碳纤维用得最多的是在飞机上,如在波音B787机型上,使用东丽公司生产的碳纤维复合材料已占总材料用量的50%。2016年,东丽公司的碳纤维产量约为4万吨;而我国碳纤维企业30多家,总产能2万吨左右,实际产量约7000吨。

东丽碳纤维大量使用在波音上绝非是一朝一夕之功。从上世纪80年代开始,东丽公司就和波音进行全方位合作,东丽人甚至是住到了波音公司里,根据波音要求来设计、生产碳纤维。直到2011年—2012年,使用碳纤维的飞机才开始试飞,磨合时间长达近30年,并根据波音的使用要求和反馈,不断纠错、修正产品。

此外,在一个行业中一旦形成领先效应,超越就很难。目前波音飞机、美国F-22和F-35战斗机上使用的碳纤维环氧树脂都来自美国亨斯曼公司。余木火说,亨斯曼的产品早已通过了材料和工艺认证,如果要使用其他企业生产的环氧树脂,还需要一个漫长、繁复的论证过程,碳纤维生产企业自然愿意使用亨斯曼的。这也不利于国内高端环氧树脂产品迎头赶上。

来源:科技日报
 
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