高模量碳纤维又称石墨纤维,是一种含碳量99%以上高性能碳纤维,高模量碳纤维是一种性能独特的军民两用工业材料。高强高模碳纤维具有高比模量、热膨胀系数小、尺寸稳定等优点,是卫星和航天器主体结构、功能结构和防护结构等不可替代的关键材料。目前高模碳纤维广泛应用于航空航天、体育器材、民用高端产品等先进复合材料的增强,其中航空航天占据高模碳纤维市场份额的50%左右,高模碳纤维是各级主次结构的核心关键材料,也是未来航天材料发展的重点。
传统的高强型碳纤维,具有高拉伸强度和高断裂延伸率特征,但抵抗变形能力较弱;而高模型碳纤维则具有高拉伸模量,但强度和断裂延伸率(0.7%~1.2%)较低。高强高模高韧性碳纤维,兼顾前两类碳纤维的优势特点,要求具有高拉伸强度、高拉伸模量和高断裂延伸率(≥1.5%)的特点,满足高模量碳纤维应用工艺性、提高碳纤维性能利用率、提升复合材料拉伸性能的综合要求。
美国佐治亚理工学院于2015年首次研制出高强高模高韧碳纤维。作为碳纤维行业的龙头企业,东丽于2018年报道了M40X产品,其强度达5.7 GPa,模量377 GPa,断裂伸长率1.51%。国外新型碳纤维的发展,不再一味追求超高拉伸强度,而是朝高强度、高模量、高延伸率“三高”方向发展,走向与应用目标相契合的方向。
高强高模M40X等级碳纤维能够满足未来国防及高端装备领域对碳纤维复合材料性能均衡化的要求。目前国内尚无该纤维成熟竞品,国外主要竞品为东丽M40X,但目前并未大批量销售,因此研制该款碳纤维对实现高性能碳纤维自主可控,缩短碳纤维技术与日本等发达国家的差距,为下一代复合材料发展奠定技术基础等均具有极其重要的战略意义。
项目开发了连续长周期聚合及高分子量、窄分布聚丙烯腈纺丝原液制备技术;研发出高温高浓凝固成型技术;研制出聚丙烯腈纤维预氧化碳化结构调控与纳米缺陷控制技术。结合复合式电化学表面处理工艺,研制出完整的超高强高模碳纤维工程化技术。
四、项目完成单位简介
五、宁波材料所高性能碳纤维进展
团队建有PAN基碳纤维及其配套原丝中试线,具有PAN基碳纤维的吨级研发与百吨级工程化技术支撑能力,并形成了自主知识产权体系。在高强中模碳纤维研究领域,在国内率先完成了高性能T800级碳纤维中试制备技术突破和百吨级工程化放大。在高强高模碳纤维领域,在国内率先实现国产M50J、M55J、M60J以及M65J级系列化碳纤维制备技术突破,制备的高模量碳纤维产品拉伸模量范围可从350GPa到640GPa。2021年9月,团队承担的“高模高强碳纤维(CNI QM55级)国产化关键技术研发及在临近空间无人机中央翼主梁中的应用”项目通过成果鉴定(更多内容延伸阅读原文)。
在兼具高强度、高模量、高断裂延伸的新一代碳纤维领域,团队于2015年便开始布局研发工作。2017年在承担相关项目基础上,加快了新型高强高模碳纤维的批量制备工作,2019年7月实现拉伸强度5700-5900MPa、拉伸模量320-340GPa规格M30X型超高强高模碳纤维的批量稳定制备,在线抽样检测纤维强度6023GPa、模量321GPa。
2019年10月团队实现拉伸强度5500-5700MPa,拉伸模量360-380GPa规格M40X型新型高强高模碳纤维的批量稳定制备,在线抽样检测纤维强度5625GPa、模量377GPa,关于更多产品特性可延伸阅读《宁波材料所国产高性能碳纤维技术现状与主要产品》(阅读原文)。在2022年公布的一项最新专利技术中,团队已经成功制备得到拉伸强度≥5000MPa、拉伸模量≥540GPa的M55X型高强高模高延伸碳纤维(专利申请号CN202210403315.5)。
在本项目中,中国科学院宁波材料所科研团队主要开展了高温石墨化环境中纤维内部微观结构演变机制研究,明确了基于高强度、高模量、高断裂延伸特性下纤维内部的石墨微晶特征结构,从而为工程化工艺的调控与优化提供一定的指导。