研究进展·国产高强中模碳纤维增强高韧性树脂基复合材料研究进展

本文摘要：（由ai生成）

国产高强中模碳纤维及其增强高韧性树脂基复合材料技术取得进展，已形成系列化产品，部分性能达到国际水平。国内多家企业已突破T800H级碳纤维规模化生产技术，力学性能与东丽T800H相当，并逐步解决复合材料制备工艺问题。新一代高韧性环氧树脂基复合材料AC531/CCF800H性能优异，耐湿热性能和目视可检性优于国外材料。

目前，碳纤维按照原丝类型主要分为3类。即聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。粘胶基碳纤维基本停产，有可能完全退出碳纤维市场；沥青基碳纤维保持约1000吨年产量，日、美企业平分秋色；聚丙烯腈基碳纤维一枝独秀，其技术被日、美控制，产业被日本控制（约占70%），市场被日、美、欧盟控制（达80%）。依仗其牢固的技术和市场垄断地位，多年来日、美、欧等西方国家对中国进口碳纤维实施严格控制，对我国先进复合材料的科研生产造成严重困难和重大冲击。

在碳纤维的发展过程中，各国已经开发出若干类用于结构材料的聚丙烯腈（PAN）碳纤维，以东丽碳纤维为例，其产品主要分为4个系列：高强系列碳纤维（T300，T400，T700等）、高强中模系列碳纤维（T800，T1000，T1100等）、高模系列碳纤维（M40，M46，M50，M55，M60等）和高强高模系列碳纤维（M40J，M46J，M50J，M55J，M60J，M70J等）。从碳纤维的应用看，老的机型（如F-16，F-18，B737，B747，B757，B767，A320，A330，A340等）基本以使用高强型碳纤维为主，而20世纪90年代以后发展的新机型（如F-22，F-35，B-2，CH-53K，B777，B787，A380，A400M，A350等）主要应用高强中模碳纤维，但在一些次承力结构中仍然使用高强型碳纤维。因此，在目前及未来一段时间内，高强中模碳纤维仍将在航空结构复合材料中占据绝对主导的地位。

01.国产高强中模碳纤维进展

在技术积累、需求牵引和资本市场的共同推动下，2015年前后国内已有多家碳纤维企业的高强中模T800H级碳纤维的力学性能达到了东丽T800H碳纤维的水平，并在碳纤维需求单位的牵引下进一步解决了影响复合材料制备工艺的碳纤维毛丝问题、影响复合材料综合力学性能的界面问题等，逐步把国产高强中模碳纤维复合材料向工程应用推进。

国产高强中模T800H级碳纤维规模化生产关键技术的突破，实现了国产高强中模碳纤维强度和模量在高强型碳纤维基础上的显著提高，为高强中模碳纤维的系列化发展奠定了基础。之后，有企业报道突破T1000S的制备关键技术，并继续向下一代高强中模T1100级碳纤维性能迈进。表1是某公司国产T800S级、T1000G级和T1100G级碳纤维的力学性能。

虽然国产高强中模碳纤维在T800H的基础上，性能不断提高，逐步形成了高强中模碳纤维系列。但是，增强纤维仅仅是高性能复合材料的关键原材料之一，要实现高性能树脂基复合材料综合性能的全面提升，还需要从复合材料界面、树脂基体、复合材料制备工艺等多方面开展系统研究。

02.国产高强中模碳纤维增强高韧性树脂基复合材料技术现状

国内复合材料树脂基体的发展跟国外一样，经历了从基本型树脂（非增韧）、第一代韧性树脂基体、第二代中等韧性树脂基体，再到第三代高韧性树脂基体的发展历程（图1）。与国外树脂基复合材料发展不同的是，由于我国碳纤维技术滞后美国、日本大约25-30年，因此国内基本型、第一代韧性和第二代韧性复合材料的增强碳纤维基本为高强型碳纤维（即T300级和T700级碳纤维），而美国为主的发达国家从第一代韧性复合材料开始即选用高强中模碳纤维（T800级）。

近年来，结合国内T800级碳纤维的成功研制，研制的新一代高韧性环氧树脂基复合材料AC531/CCF800H的冲击后压缩强度达到了335 MPa以上（表2），达到了第三代韧性复合材料的水平。从复合材料韧性和综合力学性能水平来看，国内与国外的差距较小。通过国内新一代高韧性环氧树脂基复合材料AC531/CCF800H与国外新一代高韧性复合材料的130 ℃耐湿热性能对比（图2），以及它们的冲击损伤目视可检性（Barely Visible Impact Damage，BVID）比较，AC531/CCF800H不仅抗冲击韧性与国外先进的高韧性复合材料相当（图3），而且其耐湿热性能和目视可检性优于国外高性能复合材料。

表2 国内典型航空高强中模碳纤维环氧树脂基复合材料
 

图2 AC531/CCF800高韧性复合材料与国外复合材料的湿热性能对比

虽然国内高强中模碳纤维增强高韧性环氧树脂基复合材料的综合性能已经达到了国外当前材料的水平，但国外高韧性复合材料技术已经得到大量的工程应用，技术成熟度很高，而国内高韧性复合材料的应用刚刚开始，综合技术成熟度还比较低，在工程上的考核验证还不足。

20世纪90年代初，国内开始了双马来酰亚胺树脂基复合材料的研究，逐步形成了以5405和QY8911为代表的第一代韧性双马来酰亚胺T300级碳纤维增强复合材料和以5429，5428和QY9511，QY9611为代表的第二代韧性双马来酰亚胺高强型碳纤维（T300级和T700级）复合材料体系，也成功开发了第三代韧性水平的AC631高韧性双马来酰亚胺树脂高强中模碳纤维复合材料，AC631/CCF800H双马树脂基复合材料的冲击后压缩强度显著提升（图4），与美国最先进战斗机应用最广的复合材料的力学性能比较，其综合力学性能优于国外相关高强中模碳纤维双马来酰亚胺复合材料5250-4/IM7。

图4 AC631/CCF800H双马来酰亚胺树脂基复合材料冲击后压缩强度比较

目前，国内应用的航空航天复合材料主要以高强型碳纤维增强复合材料为主，而航空航天发达的西方国家已经普及了采用高强中模碳纤维增强复合材料。因此，高强中模碳纤维复合材料将是未来相当长一段时间内我国航空航天复合材料的骨干结构复合材料体系。

03.国产高强中模碳纤维增强液体成型复合材料技术

液体成型树脂基复合材料作为热压罐成型复合材料之外的最重要的低成本复合材料，也是高强中模碳纤维复合材料技术体系的重要组成部分。目前已经完成了与高强中模碳纤维匹配的液体成型环氧树脂基体、定型剂和预定型织物研究，复合材料力学性能和复合材料成型工艺研究，具备了高强中模碳纤维增强液体成型复合材料稳定批量生产能力，形成了液体成型高强中模T800级复合材料技术体系。

04.国产高强中模碳纤维增强高韧性树脂基复合材料自动化工艺适应性

随着复合材料工艺技术的发展和应用范围的不断拓展，针对手工铺层工艺难以实现外形复杂和大尺寸制件制造、手工铺层工艺效率低下、质量一致性难以保障等问题，自动铺放工艺在航空领域的应用越来越广泛。同时，不论是自动铺带还是自动铺丝工艺对预浸料都提出了不同于传统手工铺贴工艺的要求。

手工铺贴、自动铺带和自动铺丝3种复合材料铺贴工艺对材料的铺放工艺特性和容度要求各有不同。相对而言，人工对预浸料的工艺性能容度更宽，而自动化铺放尤其是自动铺丝工艺对预浸料的工艺容度更窄、要求更高，因此，为了满足自动化设备的工艺要求，波音公司材料规范（BMS8-276N）对3种铺贴工艺的预浸料提出了差异化的要求。但是为了简化未来工程应用过程管理，在技术上尽量实现人工铺贴、自动铺带和自动铺丝预浸料“三合一”，也就是要求这3种工艺的预浸料是完全相同的技术状态（图5）。
 

图6是自动丝束铺放工艺常见问题。因此，这3种工艺对预浸料的要求从高到低的顺序是：自动铺丝＞自动铺带＞手工铺贴。为了满足3种预浸料按照统一的技术要求，基于国内尚未有成熟的自动铺丝预浸料的相关技术经验，航空工业复合材料技术中心优化高强中模高韧性树脂基复合材料预浸料制备工艺，解决了AC531/CCF800H和AC631/CCF800H预浸料黏性控制、分切工艺、预浸丝束接头连接方法等关键技术，形成了自动铺放预浸带和预浸丝束的生产规范、评价方法和相关技术标准，实现了一种预浸料同时满足3种铺贴工艺的严格技术要求，在工程应用中获得了应用验证。

05.高强中模碳纤维增强高韧性结构复合材料发展趋势

高强中模碳纤维增强高韧性结构复合材料具有高强型、高模型和高强高模型复合材料都不具备的优异的综合性能，是目前和未来相当长一段时期内国外主要发展和应用的骨干航空结构复合材料，也是我国具有跨代特征的新一代骨干复合材料体系，将广泛应用于在研和下一代军民航空航天装备。但是，不论国内还是国外，高强中模碳纤维复合材料尚有不小的性能潜力和应用潜力有待挖掘，或者说目前的高强中模碳纤维复合材料尚有不足，需要进一步开展研究，进一步提高其综合性能。

（1）提高高强中模碳纤维复合材料压缩力学性能，克服复合材料性能短板。

（2）进一步提高高强中模碳纤维模量，提高其复合材料刚度。

（3）以BVID为特征的高设计许用应变高韧性高强中模碳纤维复合材料是航空主结构复合材料高效应用的基础。

（4）提高碳纤维树脂基复合材料的耐热性能，扩大其应用范围。