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十年复材织天路,万里长空竞飞鸿——中国碳纤维复材发展续篇

发布时间:2015-06-17  原作者:兵器迷的天空   点击数:

原创不易 认可价值 转载请务必注明作者 以及来自空军之翼

  近日,空军之翼网站转载了拙文《碳纤维复合材料在航空航天领域的应用浅析》系列文章(以下简称“《原文》”)。兵器迷既为更多网友能够了解这些材料科技信息而高兴,同时也产生了一个顾虑。

  这位说了,兵器迷多虑了吧,文章有人转载也有问题吗?

  是这样,此文初次发帖于2013年4月,时间过去两年多了,这个行业又发生了一些新的变化,与原文描述已经有所差异,有些朋友已经要求对这些信息做更多解读。而且,上一次因为篇幅有限,有些技术只是蜻蜓点水,未能详述。因此,续篇将这些补充信息整理后分享出来,供大家参考。这个行业技术发展很快,咱们怎么也要有点与时俱进不是?

  当然,材料科学信息,逃不了技术名词堆砌,读者(包括咱自己)很容易消化不良。要不是《原文》的读者比较多,而且私下咨询的朋友也不断,还真拿不准是不是该写续篇,呵呵。

  不闲扯了——开聊。

第一部分

一 中国碳纤维原丝生产的进展

《原文》:中国T300级材料已经相对成熟,而T700以上级别的复材仍在研发和小规模试生产中。

进展

1 T700:

  近5年来,中国T700级军用碳纤维材料生产技术逐渐成熟。网载,中复神鹰公司投产的T700生产线是目前世界上第三个采用干喷湿纺工艺体系的商业化生产线,2014年获得中国建筑材料集团有限公司科学技术奖进步类一等奖,具有重要的战略意义。国产T700已经成功应用于风力叶片、电缆复合芯、压力容器和交通运输等新兴工业领域,并初步用于某航空机型和某航天设备。

2 T800:

  从多个渠道获得的信息都表明,继2012年25吨级T800生产线竣工投运后,中国首条千吨级T800生产线于2014年3月在江苏镇江新区奠基。江苏航科投资6亿元,预计2016年投入生产。截至2014年底,航科先后申请国家发明和实用新型专利80余个,制定碳纤维生产流程测试规范42项,环保节能措施使产品成本降低30%,产品性能离散型低于5%。江苏航科T800级材料已具备系列化高性能碳纤维制备技术和低成本化能力,碳纤维生产原材料和主要设备几乎100%来自国内。

3 T1000和更高:

  江苏航科预计在2020年,将建成千吨级T1000碳纤维生产线和百吨级MJ系列高强度高模量碳纤维生产线。并开展T1200和M70J等更高性能纤维以及专用复合材料的研制及产业化工作。

点评

  先说上文中谈到的T700。

  其实就是国内中复神鹰的产品代号SYT45,是按照国标GQ45生产的聚丙烯腈基碳纤维PAN。公开材料上说,SYT45抗拉强度达到4.5GPa以上,模量达240GPa。与日本东丽的产品相比(抗拉强度4.9GPa)有10%左右的差距。2014年中复神鹰已经有了SYT49/SYT50,抗拉强度分别达到4.9GPa/5.0GPa。算是能和东丽一拼,但时间上的差距可就大了。


图1 中复神鹰T300级SYT-45 PAN原丝

  与成品相比,其实更值得我们关注的是报道中“干喷湿纺“这四个字。因为过去国内碳纤维生产常用的是湿法纺丝。而干喷湿纺(又称干湿法纺丝),意思是,纺丝液经过喷丝孔喷出后,先经过一段空气层,专业术语叫”干段”(所以这种方法才叫“干喷”),再进入凝固浴进行扩散、相分离和形成丝条的纺丝方法。

  与湿法纺丝相比,干湿法纺丝的优点在于:

  1 可以进行高倍的喷丝头拉伸,因此纺丝速度高;

  2 可在空气层中形成一层致密的薄层,阻止碳纤维大孔洞的形成。这样得到的纤维,结构均匀,皮芯层差异小,强度和弹性好,截面结构近似圆形,纤维表面光滑。纺出的纤维致密性好,体密度较高,纤维内部缺陷少。

  因此,干喷湿纺是高性能PAN碳纤维原丝生产的国际先进技术。该技术此前一直被日方东丽和东邦垄断。国内一直到2013年11月才初步试运行成功,所以报道中说是世界“第三家”。

  中复神鹰的这套湿纺法系统,包括适用于干喷湿纺的均质化聚合系统、低扰度空气层纤维成型系统以及高速高倍蒸汽牵伸系统。项目自主开发设计了快速换热的全混式60立方米聚合釜、干喷湿纺纤维成型装备、蒸汽牵伸装备、全套碳化关键装备以及高效溶剂回收和废气处理系统。全系统2008年开始研发,2012年投入试生产,2013年11月通过国家级鉴定。后面就要看产品质量稳定度和工程应用的情况了,咱们拭目以待。

  再说T800。

  中国技术主导的T800生产线终于开工了。不过需要指出,这个项目已经拖延数次,后来计划2015年投产,现在看来也有一定困难。难是正常的,有实质性进展就好。需要再次强调,2012年航科的25吨级的实验室小规模生产不代表完全掌握碳纤维核心技术,大规模生产的原料、辅料、工艺、设备都能国产化,且质量稳定可靠,成本市场接受,才是T800真正的成功标志。

  最后说一下T1000和MJ系列更高级别的产品。

  中国在高性能PAN碳纤维原丝上,目前仍然处于“跟踪研发”的状态。从航科这些年的迭代研发步骤看:2012年出25吨T800,2016年(预计)出1000吨级T800,2020年千吨级T1000的目标能否实现,要看2017年前后是否能出25-100吨级的T1000小规模生产线。基本技术和产品性能确定了,后面的目标就会更加明确。个人以为,最晚到2018年如果都达不到预生产目标,2020年T1000大规模投产就不靠谱了。

  从总体形势看,手拿把掐的倒是T800。再有三五年,T800满大街都是的局面估计是跑不了的。但从外界的横向对比情况看,形势依然不容乐观。

  首先,日本东丽在T1100碳纤维生产上已经获得进展:东丽利用碳化技术,在纳米尺度上精确控制纤维结构,与其现有的应用于航空航天中的碳纤维产品如TORAYCA T1000G 和T800S相比,新型的TORAYCA T1100G性能得到了显著提高。利用纳米技术,东丽还开发出基体树脂技术,该技术可以提高预浸料的抗拉强度和抗冲击性。这项技术将被纳入TORAYCA T1100G碳纤维中。

  看到没?在我们T800接近成熟的时刻,对方T1100G也正在逐步成熟,这中间可差着2代啊。

  再有,就是MJ碳纤维。

  T系列碳纤维有一个特点,就是强度高,而模量相对不足,这一点就是T1200也是一样。实际上,1970年代开始,东丽公司的PAN碳纤维就有高强度系列产品(即我们熟悉的T系列),和高模量系列产品(即M系列,国内也有)两个序列。行业内曾长期认为,同时实现碳纤维的高强度和高模量在技术上是难以实现的,好比鱼与熊掌、不可兼得的意思。

  但是,MJ系列碳纤维的出现,让这个禁锢松动了。

  这次又是日本东丽,创新研发出兼具高强型和高模型的MJ系列碳纤维,使其兼备高强度和高模量,综合性能提升较大。MJ系列产品包括M40J,M55J,M60J。中科院山西煤化所和中科院研究生院的研究表明,MJ产品最大特点就是纤维表面都有沟槽,这与上面谈到的干喷湿纺产品的平滑表面形成鲜明对比。

表1:东丽MJ系列产品性能表

型号 抗拉强度/GPa 抗拉模量/GPa
M40J 4.41 377
M55J 4.02 540
M60J 3.82 588

  我们在进步,人家也没闲着。

  因此,中国碳纤维原丝行业保持航向,目标东丽,不变!

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