行业·国产高强中模碳纤维增强高韧性树脂基复合材料研究进

13天前浏览350

本文摘要：（由ai生成）

碳纤维主要分为聚丙烯腈基、沥青基和粘胶基三类，其中聚丙烯腈基碳纤维技术被日美控制，市场被日美欧主导。中国面临进口限制，但国产高强中模碳纤维技术取得进展，力学性能达到国际水平。国内复合材料技术发展，实现高韧性环氧树脂基复合材料制备，性能与国际相当。未来需进一步提高碳纤维复合材料的压缩性能、模量、韧性和耐热性，以满足航空航天等领域需求。

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。

表1 东丽与国产典型T800S级、T1000G级和T1100G级碳纤维的力学性能比较

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）。

图1 国内碳纤维增强高韧性树脂基复合材料现状

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

图3 国产T800级高韧性环氧树脂基复合材料与国外复合材料CAI比较

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5 3种铺贴工艺预浸料之间的关系

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。

图6 自动丝束铺放工艺过程中常见的4种工艺故障
（ａ）丝束间间隙过大；（ｂ）输送过程堵丝；（ｃ）丝束粘连；（ｄ）丝束接头拉脱

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。

原文出自《材料工程》：

包建文等.国产高强中模碳纤维及其增强高韧性树脂基复合材料研究进展[J].材料工程，2020,48(8):33-48.

来源：中国复合材料学会

特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。

广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。

来源：碳纤维生产技术

说说·航空复合材料强度技术的前世今生与未来发展

本文摘要：（由ai生成）复合材料由多种材料结合而成，具有独特性能，广泛应用于航空等领域。它们具有高比强度、高比刚度等优点，但也面临抗冲击性能差、环境敏感性等强度问题。专业团队致力于复合材料强度研究，解决技术瓶颈，推动材料发展。随着新材料、工艺的涌现，复合材料设计、制造面临挑战，但同时带来发展机遇。专业团队将围绕飞机发展需求，解决强度问题，提升技术水平，支持国产复合材料产业化发展。复合材料，顾名思义就是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观或微观上组成具有新性能的材料。目前，复合材料的应用愈发广泛，复合材料中碰到的强度问题也是日渐突显。今天，我们就来听强度君说一说复合材料的前世今生与强度博弈。 01 复合材料的前世今生复合材料源于大自然，昆虫、鸟类等动物比人类更早地了解和应用了复合材料，如用泥土将植物秸秆粘接在一起构筑结实牢固的巢穴。而人类的复合材料应用同样也始于建筑，原始人利用动物的粪便、粘土、稻草和树枝等材料的混合结构来构建房屋。众所周知的古埃及金字塔，便是使用了石灰、火山灰等作粘合剂，混合砂石等作为砌料，这其实也就是最早最原始的颗粒增强复合材料。 ——植物纤维泥土基复合材料燕窝到了19世纪末，人类对于复合材料从无意识的感性向理性认识阶段发展，独木舟建造者尝试使用牛皮纸与紫胶粘合，制作纸层压板就是典型的代表。20世纪30年代合成树脂的出现更是推动了整个复合材料产业的发展，玻璃纤维和合成树脂的“复合产品”也被认为是现代复合材料的起点。复合材料发展到今天，碳纤维树脂基复合材料为代表的先进复合材料已成为主流。先进复合材料由纤维增强体与基体组成，其中基体起到粘结、支撑、保护纤维的作用，常见基体材料有双马来酰亚胺、聚酰亚胺、环氧树脂等；纤维分布在基体中起到提高基体材料性能的作用，常见纤维增强体材料有碳纤维、玻璃纤维等。随着复合材料技术的发展，航空飞行器复合材料的用量从最初的不足1％（DC-10），发展到现今的50％以上(波音B787，空客A350XWB)。复合材料的应用结构也由最初的次承力结构（襟副翼、方向舵、扰流板、起落架舱门等）发展到主承力结构（机身、机翼、尾翼、后承压框等）。目前复合材料的用量已成为衡量航空飞行器先进性的重要标志之一。 ——飞行器复合材料用量的发展过程02复合材料的强度问题先进复合材料由于其高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀及可设计性等诸多优点，被广泛应用于工程结构中，尤其是航空飞行器结构。与传统金属相比，采用复合材料可使结构减重20-30%。但是，世界上没有完美的材料，复合材料也不例外，在诸多环节中不断出现的问题以及因复合材料强度问题所引起的飞行事故，使得工程师们逐渐意识到，复合材料的研发之路还有很长的路要走。航空复合材料的抗冲击性能差是其不可回避的问题，在受冲击后复合材料层间性能非常薄弱的缺陷暴露无遗，一旦出现分层损伤，则会对结构整体性能造成严重破坏。冰雹、雷击、鸟撞等使飞机结构受损从而导致飞机解体引发灾难性事故的案例不在少数。相比较于飞行过程中高能量的瞬间冲击，日常使用、维修过程中的低能量冲击更令工程师感到头疼，事实上飞机复合材料部件最多的损伤恰恰就是在维护过程中各种碰撞、拆卸而产生的，比如维修人员身上掉落的扳手砸到结构表面造成的冲击损伤，这不经意的一瞬间足以造成内部的缺陷。而与高能量冲击不同的是，这种缺陷在外表面可能根本无迹可寻。而当你发现表面有勉强目视损伤时，可能结构内部已经受损严重，强度也骤降一半之多。 ——复合材料冲击损伤与剩余压缩强度的关系近年来，随着航空飞行器用途和使用环境的多样化，复杂极端天气，如高温、潮湿、浸润等对复合材料的影响变得愈发不可忽视。虽然复合材料中的纤维增强体对环境敏感度可以忽略，但是水分子可以通过基体扩散、纤维-树脂基体界面间的毛细作用渗透到结构中。这种“趁虚而入”的行为会降低其玻璃化转变温度，从而引起与基体密切相关的力学性能（如拉伸、压缩、层间剪切强度、挤压强度等）明显下降。因此复合材料结构必须考虑湿热环境联合作用下的强度问题。大家最为熟悉的F-22等战斗机，由于超声速巡航需求，机身外表面长时间与空气高速摩擦产生高温，在机翼复合材料的选择上不惜使用韧性和抗冲击性能更差的双马来酰亚胺树脂基体，以获得260℃的最大工作温度。B787在发动机吊架等高温结构中，仍坚持选用钛、钢等材料。另外，复合材料静强度和疲劳强度的分散性均高于金属，特别是疲劳强度尤为突出，因此在对复合材料结构进行疲劳验证时，除寿命分散系数外，有时还考虑载荷放大系数。以上异于金属材料的特殊性能和特征，在力学性能表征、设计、结构强度评估与验证等方面给复合材料带来了一些特殊要求和强度问题。随着复合材料在飞机主承力结构中应用的不断扩大，这些强度问题也变得越来越突出。03复合材料的强度力量航空工业强度所在复合材料强度领域有一支长期从事设计、分析与试验的专业团队。主要针对航空航天、轨道交通、车辆装备及工业建筑等领域的工程应用需求，围绕复合材料耐久性/损伤容限、稳定性、连接、积木式试验及轻质多功能复合材料结构等五个专业方向，开展基础理论、技术攻关以及前沿探索等科研工作，并承担相关验证任务。 ——复合材料专业著作、试验标准等作为国内复合材料飞机结构型号研制与预先研究积木式验证的中坚力量，完成了大量的典型构件、大尺寸构件及全尺寸部件的强度验证与评估工作，具有满足适航要求的积木式验证试验技术及分析能力。 ——积木式验证体系在理论分析方面，可开展复合材料连接传载特性与连接强度分析评估、连接区设计和试验规划与评定；复合材料构件、壁板和盒段等结构稳定性分析及后屈曲强度评估；含缺陷/损伤复材疲劳寿命预计与剩余强度分析；复合材料结构修理容限和修理方法分析，可维修性设计，修理结构强度/刚度/耐久性评估等方面的技术研究。 ——复合材料结构强度分析在试验能力方面，配备1kN-6000kN等不同规格的静力和疲劳试验机20余台，具备在低温(-80℃)、室温和高温(1200℃)等不同环境条件下进行材料及结构力学性能测试的能力。自主设计研发了平直壁板双向压缩试验平台、平直壁板压-剪复合试验平台、曲板（机身壁板）拉（压）-剪-气密载荷复合加载试验平台。并拥有一系列的多通道测控系统、非接触式全场变形测量系统等关键试验条件。测试技术与自主研制的试验夹具、装置能力已达国际先进、国内领先水平。——壁板压-剪复合载荷试验装置随着先进飞行器结构的发展，新设计方法、新材料/工艺/结构及自动化制造设备不断涌现，未来飞机结构呈现复合材料化、整体化、结构功能一体化的特点。复合材料在设计、制造、分析及试验等方面将面临巨大的挑战及机遇，同时随着更轻质、更节能、更高效、更绿色等理念的深度融合，也给复合材料的应用提出了更高的要求。强度所复合材料结构强度专业将紧密围绕我国军民用型号飞机发展需求，着重解决复合材料在型号研制过程中遇到的强度瓶颈技术问题，以及面向未来先进飞行器的新材料、新工艺及新结构的强度基础技术问题。以探索复合材料强度理论、创造复合材料强度技术、提供复合材料强度工具、验证复合材料强度设计为使命，支撑低成本、国产复合材料产业化发展，进一步提升我国复合材料结构强度设计、分析与评估以及试验验证等方面的技术水平，为我国工业复合材料的发展持续提供澎湃的强度力量。来源：中国飞机强度研究所特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术