高性能碳纖維——應用前景廣闊的新材料

時間:2023-09-20 發布者: 瀏覽次數:486次

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圖為部分使用碳纖維材料制造的C919客機


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圖為碳纖維生產車間


習近平總書記指出:“新材料產業是戰略性、基礎性產業,也是高技術競爭的關鍵領域,我們要奮起直追、迎頭趕上?!毙虏牧系拈_發應用,能夠推動技術進步和產業升級,甚至推動人類社會邁上新臺階,比如半導體材料就帶我們走進了信息社會。


放眼世界,材料學研究不斷取得新突破,先進鋼鐵材料、先進有色金屬材料、先進石化化工材料等一批新材料紛紛涌現,為制造業和經濟社會發展注入強勁動能。碳纖維就是新材料中應用非常廣泛的一種。


一副由碳纖維制造的自行車車架,重量僅600克左右,相當于3個蘋果;一根1米長的T1000級碳纖維,手指粗的一束,重量只有0.5克,可以拉動兩架民航客機;碳纖維制品可在3000攝氏度高溫下安然無恙,能在酸、堿、油、鹽等各種腐蝕性環境里使用……碳纖維具有強度高、模量高、耐高溫、耐腐蝕、重量輕等諸多優異性能,在現代制造業中應用前景廣闊,被譽為“工業黑色黃金”。


細如發絲、輕若鴻毛、強過鋼鐵


碳纖維是一種碳含量在95%以上的無機纖維,由不同原料經聚合、紡絲、氧化、高溫碳化而成。根據原料種類,碳纖維主要有聚丙烯腈基碳纖維、粘膠基碳纖維和瀝青基碳纖維3種。其中,以石油化工產品丙烯腈為主要原料的聚丙烯腈基碳纖維,占世界碳纖維總產量的90%以上,是高性能碳纖維的最主要來源。


碳纖維具有細如發絲、輕若鴻毛、強過鋼鐵等優異性能。碳纖維直徑通常為5—7微米,只有頭發絲1/10左右粗細,密度較小,一般為鋼的1/5、鈦的2/5、鋁的3/5。雖然“身輕體薄”,碳纖維強度卻非常高,一般為鋼的35倍。實際應用中,通常會將一定數量的碳纖維“細絲”像編繩子一樣纏繞起來,一束標準的12K(即1.2萬根)碳纖維不到一支鉛筆粗,卻可以承受130千克左右的重量。與此同時,碳纖維能在3000攝氏度高溫下安然無恙,在零下100攝氏度到100攝氏度之間,其尺寸基本保持不變,并且能在高腐蝕性環境里使用,可謂“真金不怕火煉”。


要想獲得這樣的特性并不容易。碳纖維制備流程長、工藝復雜,難度堪比芯片和微納光刻。碳纖維制備流程包括上百個細分工序,涉及高分子化學、高分子物理、材料科學、高分子加工與紡絲工程、工業自動化控制、高溫工程等,其工藝控制點上千,工藝參數超過萬項,每一項參數的變化都會影響碳纖維的最終性能。當前世界最先進的芯片光刻技術達到幾納米尺度,與之相似,高性能碳纖維也要求碳纖維內部缺陷控制在10納米以內。碳纖維還要經過從普通室溫到1700攝氏度甚至2500攝氏度的高溫碳化,且溫度精度要控制在5—10攝氏度,難度可見一斑??梢哉f,每一束碳纖維材料都是千錘百煉得來的。因為技術要求高、制造難度大,碳纖維價格比較昂貴,宇航級碳纖維價格在每千克數千元到萬元之間,是鋼和鋁合金價格的幾十倍,但碳纖維憑借其優異性能,依然成為國民經濟和國防建設不可或缺的關鍵材料。


現代制造業的支撐性材料


碳纖維兼具碳材料的高強度和纖維紡織材料的柔軟可加工性。一束手指粗的高強度碳纖維可以拉動飛機,碳纖維還可以編織成纖維布,根據需要編織裁剪成特定形狀,經樹脂固化變成比高強鋼強度更高的材料。因為擁有多種優異特性,碳纖維應用廣泛,成為航空航天、電力、交通運輸等高端裝備、重大基礎工程、新能源等領域重要支撐性材料。


在航空航天領域,碳纖維的用量常被作為衡量航空航天裝備水平的重要標志。碳纖維復合材料可以用于飛機、衛星、火箭等的制造,還能幫助產品減小噪聲、節約燃料。例如,民航客機使用碳纖維復合材料葉片,重量比傳統鈦合金減少500多公斤,機身整體重量減少1噸,飛機油耗大幅度降低,航程實現有效提升。將碳纖維加入推進劑和發射藥中,還能改善推進劑的力學性能,提高推進劑燃速,改善發射藥的燃燒性能。


在與民生息息相關的汽車和風電領域,碳纖維成為提升性能的利器。碳纖維復合材料的密度低、重量輕、剛度大、吸力大,碰撞時材料吸能能力高出鋼結構6到7倍。將碳纖維復合材料用于汽車制造,能大幅提升汽車的加速性能、制動性能、減震性能、安全性能。比如高端精密的一級方程式賽車,各車型無一例外地應用碳纖維增強聚合物基復合材料制造車架、車身、底盤等,使車身減輕質量40%到60%,相當于鋼結構質量的1/3到1/6,還保持了足夠的強度和剛度?;谔祭w維材料,有的汽車生產企業已經制造出車身重量不到300千克的超級跑車。


在風電設備方面,葉片主梁是碳纖維復合材料的用武之地。這些主梁長度往往超過70米甚至達到120米,使用大絲束碳纖維進行制造,可以明顯降低葉片重量,增加葉片剛度,產品性價比大幅提升,整個機組的發電效率、穩定性也隨之提高。


在體育運動裝備制造中,碳纖維也能一展身手。目前,將碳纖維用于高端體育裝備制造,可以幫助運動員突破極限,創造新紀錄。如在網球拍、自行車、高爾夫球桿、滑雪板、皮劃艇制造中,充分發揮碳纖維材料重量輕的優勢,可以減輕運動員“負擔”。與鋁合金球拍相比,運動員使用碳纖維制作的網球拍,可以將擊打的最高球速提高20%,達到250公里/小時。未來,隨著技術提升和成本降低,將會有更多運動裝備用上碳纖維。


產學研結合,做強碳纖維產業


進入新世紀以來,我國組織優勢科技力量,開展碳纖維科學技術攻關。經過20余年不懈努力,碳纖維工程化、產業化、國產化取得突破性進展。今年8月,國產T1000級聚丙烯腈基碳纖維千噸級工業生產技術,通過專家委員會技術鑒定。緊接著,全國首個萬噸級高性能碳纖維生產基地在西寧建成。中國碳纖維產業從無到有、從有到大、從大到優,技術水平和產業化發展勢頭良好,研究應用進入高速發展新階段。


在這一產學研高度融合的生產領域,向市場提供種類豐富、質量穩定、產量充足、價格合理的系列產品,是碳纖維技術迭代升級的關鍵所在。按照國際通行標準,碳纖維產品會根據強度、模量劃分為不同型號,如高強、高模、高強中模、高強高模等系列,其中高強系列又按拉伸強度分為T300、T800、T1000等型號。應用領域不同的碳纖維產品,好比一個個科研題目,需要逐個攻破。即便最低等級的T300碳纖維,強度也是一般汽車防撞梁的數倍,研發難度可想而知。在分子設計、聚合工程、凝固成型、裝備精細化控制等軟硬件技術合力支持下,我國在“十五”至“十三五”期間,先后突破T300、T700、T800級別聚丙烯腈基碳纖維關鍵技術,實現規?;a。2022年,我國碳纖維產量已占全球1/3。


產量上去了,超高性能碳纖維生產也亟待我們“登頂”,實現規?;?、穩定化生產。T1000級碳纖維是目前全球強度最高的碳纖維系列之一。國內碳纖維生產企業與深圳大學協同攻關,攻克了這項技術。經國內權威機構檢測,在年產1700噸生產線上制備這類碳纖維產品,性能達到國際同級產品水平,產品質量合格率高于95%。隨著生產穩步推進,T1000級碳纖維材料將助力滿足我國高端工業領域日益增長的迫切需求。


在政策和市場雙重推動下,我國碳纖維技術不斷提升,碳纖維產業鏈逐漸完善。從奮起直追、迎頭趕上到再接再厲、勇攀高峰,在實現高水平科技自立自強的路上,碳纖維技術將貢獻更加堅實有力的“中國強度”。


(作者為深圳大學教授、中國復合材料學會副理事長——徐堅)






來源:人民日報



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