國產石墨纖維實現連續穩產

 新聞資訊     |      2018-04-16 10:38
高強高模碳纖維(又稱石墨纖維)是我國新材料領域重點發展的一類材料,其關鍵制備技術一直以來被國外掌控。近日,中科院寧波材料所在石墨纖維關鍵制備技術方面取得重要進展,實現國產M60J石墨纖維關鍵制備技術突破。
  
  寧波材料所特種纖維事業部團隊負責人宋書林研究員告訴《中國科學報》記者:“我們已經掌握結構與性能關聯性規律,并建立國產石墨纖維樹脂基復合材料的應用評價體系,為碳纖維工程化制備和復合材料應用提供堅實的理論和實踐基礎,國產石墨纖維實現連續穩產。”
  
  石墨纖維有何不同
  
  碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。碳纖維“外柔內剛”,質量比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,并且具有耐腐蝕、高模量的特性,在國防軍工和民用方面都是重要材料。
  
  碳纖維按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕、模量為100GPa(1GPa=1000兆帕)左右。高性能型碳纖維又分為高強型(強度2000兆帕、模量250GPa)和高模型(模量300GPa以上)。
  
  隨著航天和航空工業的發展,還出現了高強高模碳纖維,其中應用最廣的是聚丙烯腈基碳纖維(PANCF)。PANCF按照性能可分為高強中模和高強高模等類型。其中,國內高強中模型碳纖維拉伸強度最高可達6.5GPa,模量在300GPa左右。
  
  寧波材料所特種纖維事業部技術負責人張永剛指出,我們制備得到的M60J石墨纖維拉伸強度為5.24GPa、拉伸模量為593GPa。“從數據上看,石墨纖維拉伸模量遠高于高強中模碳纖維,強度略有損失。”
  
  這里的石墨纖維含碳量高達99%以上,具有更高的模量,且熱膨脹系數低、導電性高、熱穩定性好、尺寸穩定,在宇宙飛行器及航空航天等領域可作為關鍵材料。
  
  突破關鍵制備技術
  
  碳纖維制備是一個系統工程,包含一系列復雜的物理化學反應。由于部分反應的機理還未研究透徹,以及相關反應所需要設備的限制,均增加了碳纖維制備的難度。
  
  國際上的碳纖維市場競爭并不充分,大部分的份額被日本和美國等國家的少數公司壟斷著,這也導致碳纖維制品的售價較高。
  
  多年來,國外掌握的石墨纖維關鍵制備技術對我國嚴格封鎖。這一局面隨著國內碳纖維制備技術的逐步提升有所改善,相關科研單位正在提高關鍵裝備的成熟度,為制備石墨纖維提供了理論和裝備基礎。
  
  石墨纖維是在纖維高溫碳化后,經過進一步石墨化制備得到,石墨化程度非常高。張永剛告訴記者:“石墨化技術是制備石墨纖維的關鍵,主要包括裝備制造關鍵技術和碳纖維全流程制備技術。”
  
  當前已知理論認為,石墨化溫度越高,碳纖維拉伸模量也越高,因此首先需要能夠提供足夠高溫度的石墨化裝置。通常,在2200℃以上纖維的石墨化程度逐步提高,溫度進一步提升,纖維石墨化結構進一步完善,理想狀態是,石墨化溫度達到3000℃。
  
  張永剛也指出其中的難點是,限于材料耐溫性能和裝備加工水平,很難獲得滿足要求的石墨化裝備。
  
  為了突破高等級石墨纖維,必須從結構與性能關聯性研究出發。寧波材料所特種纖維事業部通過采取精細結構調控,嚴格把控工藝條件,優化纖維石墨化結構,提升纖維宏觀性能。
  
  經努力攻關,團隊在較低石墨化溫度下,獲得了石墨纖維M55J和M60J的性能突破。此外,石墨化溫度的降低,有效延長了石墨化裝備的壽命,實現了性能與成本的匹配。
  
  穩定技術規模生產
  
  近年來,寧波材料所先后突破了高強中模碳纖維中試及工程化技術,2015年5月,特種纖維事業部制備得到M50J石墨纖維,拉伸強度及拉伸模量分別高達5.12GPa、475GPa。
  
  2016年1月,寧波材料所在國內率先實現了國產M55J制備技術重大突破,同年9月進行了制備技術驗證,并獲得拉伸強度4.15GPa、拉伸模量585GPa的石墨纖維,后續進一步實現了國產M55J石墨纖維連續穩定生產。
  
  隨后,寧波材料所特種纖維事業部針對國產石墨纖維工藝分析、結構研究、性能優化開展了詳細研究,尤其是重點開展高溫石墨化環境中碳纖維拉伸強度保留率研究工作,制備出國產M60J石墨纖維。
  
  張永剛指出,與日本東麗M60J石墨纖維(拉伸強度3.92GPa、拉伸模量588GPa)相比,我們制備的國產M60J(拉伸強度5.24GPa、拉伸模量593GPa)繼續保持了拉伸強度上的優勢。
  
  當前,國產石墨纖維發展迅速,寧波材料所、北京化工大學等科研單位先后突破了國產M55J石墨纖維制備技術,國內部分企業正在開展M55J工程化技術攻關。
  
  寧波材料所國產M60J石墨纖維關鍵制備技術的突破,將進一步促進國內在石墨纖維領域的技術發展。目前國內石墨纖維行業發展尚不成熟,多以軍工項目為主,民用方面還有待進一步探索。
  
  張永剛表示:“石墨纖維的潛在應用領域非常廣泛,我們將在實現制備技術穩定及形成生產規模的基礎上逐步去拓展。”