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关注· 美国4M公司开发单丝直径9.6µm的10K低成本碳纤维

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4月23日,美国4M碳纤维公司宣布,利用该公司等离子体氧化专利技术生产出一种具有较大单丝直径的碳纤维,其前躯体为德国Dralon公司提供的织物级聚丙烯腈(PAN)原丝。
4M和Dralon两家公司共同开发了低成本、织物级PAN基碳纤维原丝,能够生产单丝直径9.6µm的10K碳纤维丝束(常用的工业级碳纤维单丝直径为6-7µm)。4M公司表示,对原丝进行初步研究发现,碳纤维制造过程中的预氧化停留时间仅需52min,比商用PAN原丝(小直径)的传统氧化方式快得多。该公司表示将继续对织物级PAN原丝进行相关研究,以进一步提高材料性能,优化生产工艺。
4M还介绍说,目前,大直径碳纤维还没有规模化生产的先例,这主要是由预氧化阶段的技术挑战造成的。如果采用传统技术对较大单丝直径的纤维进行氧化处理,需要更长的停留时间,并消耗更多的能量,经济上并不可行。另外,传统预氧化过程会引入缺陷,从而导致大直径碳纤维的性能低于标准水平。基于上述原因,碳纤维生产商一般不提供大直径商用碳纤维产品。
同时,4M公司表示,大直径碳纤维的优势在于成本低且性能好。较大直径单丝产品能够降低从原丝生产到预氧化、碳化全流程的生产成本,这在规模化生产中更容易实现。4M的预氧化技术结合Dralon提供的低成本原丝产品,能使碳纤维的总成本明显下降。
另外,碳纤维以其高拉伸强度而闻名,但在压缩过程中,与玻璃纤维相比却表现得不那么优秀。4M公司表示,大直径碳纤维的压缩强度明显更高,而这一优势可以使碳纤维获得更多应用,如风机叶片等现有应用市场的用量也会更大。 
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(1)4M碳纤维公司等离子体氧化技术实现强度增加15%,使用台塑的聚丙烯腈前驱体

4M碳纤维公司(美国田纳西州,诺克斯维尔市)3月4日报道,该公司已经完成了一项碳纤维制造示范项目,证明了采用该公司大气等离子体氧化技术生产15%强碳纤维的工艺的可行性,同时将产量提高了两倍。这一结果,比如400万,证明了生产高质量碳纤维的能力,同时将资本和运营成本分摊到生产能力的三倍以上。4M正在探索将这项技术授权给碳纤维生产商的方案。

4M的团队与碳纤维制造商台塑公司(中国台湾高雄市,Formosa Plastics Corp. )和能源部的碳纤维技术设施(CFTF)在橡树岭国家实验室(美国田纳西州橡树岭)合作,4M的团队使用4M和ORNL开发的国际专利大气等离子体技术氧化了台塑的聚丙烯腈 (PAN)前驱体。然后将纤维碳化,在CFTF上进行表面处理和上浆。然后使用工业测试方法在CFTF上测试所得的碳纤维。初步试验表明,使用4M氧化技术生产的纤维比通过传统工艺使用台塑前驱体生产的碳纤维具有更高的拉伸性能。

4M首席技术官Truman Bonds博士说:“我们尚未对这种前驱体的工艺进行优化,因此我们认为仍有提高加工速度甚至改善碳纤维性能的空间。4M打算继续与数家碳纤维制造商和新进入者进行技术许可讨论,我们希望尽快完成并宣布战略合作伙伴关系。

M等离子氧化商业化过程的下一步是完成一个耗资2000万美元的试点工厂,生产汽车制造商,货运公司,集装箱制造商和碳纤维生产商要求的样品。4M总经理Mike Agentis表示,该试验工厂的PAN可能来自台塑,但也正在考虑其他供应商。预计该试点工厂将使4M接近商业规模,并生产足够大的数量,以使碳纤维制造商能够决定是否许可该技术。该公司还预计,该试点工厂将与授权该技术的合作伙伴一起将4M定位为支持建筑产能。

(2)4M碳纤维和Montefibre Carbon合作开发低成本的工业级碳纤维

4M Carbon Corp.(美国田纳西州诺克斯维尔)和Montefibre Carbon Fiber(西班牙Miranda de Ebro)宣布,他们正在敲定一份意向书,以建立两家公司之间的合作伙伴关系,其中包括一家可能位于美国的合资企业(JV)。4M当前是一个报告全面的SEC(美国)美国证券交易委员会(Securities and Exchange Commission)实体,该实体表示将加快4M / Montefibre的首次公开募股并在美国上市。
在此次合作中,4M和Montefibre计划将Montefibre的大丝束碳纤维PAN前驱体与4M的低成本碳纤维生产技术相结合,以开发出低成本的工业级碳纤维。
据报道,4M的专利技术可将碳纤维生产线的初始投资减少多达50%,并将持续的运营成本节省超过30%,这有可能实现低成本碳纤维产能的快速增长。据说,Montefibre的超大型丝束技术是在西班牙政府的持续财政支持下开发的,可通过提高产量来降低碳纤维前体的成本。
"4M和Montefibre的合资企业解决了最大的问题,即阻止在工业应用中大规模采用碳纤维,这将极大地受益于碳纤维的强度和轻质,"4M董事会成员和首席顾问加罗·阿提宁(Garo Artinian)说。
Montefibre Carbon总裁Alfonso Cirera表示:"该合资企业将为美国工业的竞争力及其在复合材料领域的全球领导地位做出重要贡献。"

此外,4M表示将继续实施其收购战略,即收购协同下游碳纤维转化公司,以建立企业和股东价值。Montefibre将在西班牙政府的支持下继续提高其碳纤维前体的生产能力。


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来源:碳纤维生产技术
复合材料汽车建筑UM材料工厂试验
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首次发布时间:2024-07-18
最近编辑:3月前
碳纤维生产技术
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关注· 一文读懂长五B的黑科技,一级尾段的壁板和防热板使用碳纤维复合材料

本文摘要:(由ai生成)长征五号B火箭成功首飞,将22吨载荷送入预定轨道,实现空间站任务首战告捷。与长征五号不同,长五B为一级半构型,专注近地轨道,具备“零窗口”发射能力。其整流罩更大,可装空间站核心舱,通过氢氧发动机与助推器配合,实现快速入轨,提升系统可靠性。科技日报记者 付毅飞2020年5月5日18时00分,为我国载人空间站工程研制的长征五号B运载火箭,搭载新一代载人飞船试验船和柔性充气式货物返回舱试验舱,从中国文昌航天发射场点火升空。约488秒后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道。这是长征五号B火箭的首次飞行任务。任务圆满成功,实现空间站阶段飞行任务首战告捷,拉开了我国载人航天工程“第三步”任务序幕。长征五号B火箭由中国航天科技集团一院抓总研制,是以长征五号为基础改进研制而成,主要用于我国空间站舱段等重大航天发射任务。记者从一院了解到,此次任务中,长征五号B火箭运送的载荷质量达到22吨,这是中国乃至亚洲火箭首次发射超过20吨的航天器,进一步奠定了长征五号系列火箭在世界现役火箭运载能力第一梯队中的地位。图片来源:中国航天报图片来源:中国航天报那么这哥俩有何不同?长征五号B火箭是怎样将这么重的飞船送上天的?航天科技集团向科技日报给出了答案。“长五”哥俩使命不同从外观上看,长征五号B火箭“身高”近54米,相当于18层楼高,芯级直径5米,近850吨重。与长征五号相比,它的“腰围”一样,轻20吨,个子矮了大约3米。这是因为它比长征五号少了芯二级和级间段,只有一个芯级配备4个助推器,是我国首型“一级半”火箭。不过长征五号B火箭的整流罩比长征五号大多了,长度超过20米,足以把十多米长、4米多粗的空间站核心舱装进去。中国航天科技集团一院供图除了外观和构型,这哥俩还各有所长。长征五号火箭擅于跑长途,运送目的地包括大约3万6千公里外的地球同步轨道、38万公里外的月球,以及最近距离也有5千万公里的火星。长征五号B则专注于高度200至400公里的近地轨道,这是我国空间站建设的主战场,后续空间站核心舱等主要舱段都要由长五B火箭送上天。长征五号B火箭能凭借一级半构型把重磅航天器送入太空,得益于采用氢氧发动机的芯一级,与使用液氧煤油发动机的助推器合理搭配。其中芯一级的2台大推力氢氧发动机,凭借傲视群雄的比冲(用于衡量发动机性能,可以理解为汽车的“百公里油耗”),直接影响着航天器的最终入轨。由于长征五号B火箭所承担任务的特殊性,对氢氧发动机提出了极高要求。载人空间站工程的交会对接等任务,好比在太空“穿针引线”,时间有丝毫误差,都可能让对接双方失之交臂,不得不耗费很大代价调整轨道。这要求运载火箭的发射时间“分秒不差”,也就是所谓的“零窗口”发射。长征五号B所用的氢氧发动机,必须确保发射前工作环环相扣、步步流畅,才能不耽误发射窗口。中国航天科技集团一院供图另外,长征五号B火箭的加速度比长征五号更快,但在助推器分离后,火箭加速度又会瞬间达到最低。航天科技集团六院长征五号火箭副总设计师王维彬表示,发动机入口面对大起大落的压力,会给发动机的稳定、可靠工作带来巨大挑战。氢氧发动机研制队伍开展了大量研究改进与试验验证,逐一攻克难点,进一步提高了发动机工作可靠性和稳定性。点火到入轨一气呵成长征五号B是我国首个一级半构型火箭。按照构型,火箭分为单级火箭和多级火箭两类,火箭助推器通常被算作半级。其中,多级火箭又分串联、并联、混合式三种联结方式。所谓串联,指火箭各子级像竹竿一样串在一起,这样空气阻力往往比较小。并联指多级火箭并排捆绑在一起,这在助推器中较为常见。混合式则是既有串联、又有并联。例如用于发射神舟飞船的长征二号F火箭、发射天舟货运飞船的长征七号火箭,以及长征五号火箭等,都是采用助推器与一子级并联捆绑,一子级又和二级串联的方式,构成二级半构型。中国航天科技集团一院供图中国航天科技集团一院供图目前我国航天任务采用较多的是多级火箭。其工作特点是,火箭点火后一级发动机开始工作,燃料用完,一级发动机关机,并和燃料储箱一起从箭体上分离。其余各级发动机也是如此,通过这种“卸包袱”的形式,让火箭轻装前行,持续获得良好的加速性能。在此基础上,各级火箭分别承担“起跑、加速跑、冲刺”的任务。不过火箭级数越多,控制起来越复杂,因此一般不会超过四级。长征火箭家族中,只有长征十一号固体运载火箭达到了四级。长征五号B火箭是在一级上捆绑了4个助推器,属于一级半火箭。相比多级火箭的“接力”,它更加“简单粗暴”,从点火到入轨一气呵成,是我国现役运载火箭中唯一一款直接入轨的火箭。这样的构型不仅丰富和完善了我国新一代运载火箭型谱,也提升了系统可靠性。要知道,级间分离是火箭飞行中最容易出现问题的环节之一。火箭级间分离时,下级发动机关机,级间分离火工品工作使两级分开。为避免分开的两级发生“追尾”和“碰撞”,要用侧推小火箭或反推小火箭点火,让分离开的两级隔出一段安全距离,上级火箭发动机再点火继续飞行。这一系列动作十分复杂,对控制的要求极高。长征五号B火箭系统简单,无级间分离,可靠性自然就高。大刀刻微雕,精度怎么保证?采用多级火箭执行发射任务时,都是用推力很小的末级火箭将卫星送到预定轨道,再辅以推力更小的姿态控制发动机,更容易在航天器入轨前对位置与姿态进行微调,从而确保精确入轨。中国航天科技集团一院供图而只有一级半的长征五号B火箭,要用2台大推力氢氧发动机直接运送载荷入轨,就像用大刀刻“微雕”,力道极难掌握,给精准入轨带来了巨大挑战。同时,大推力氢氧发动机关机后,还会产生“后效”,就如同燃气灶关闭后的“余火”,也会对入轨精度造成影响。这需要确保发动机燃烧稳定,并在发动机研制时就尽可能算出“后效”的预测值,控制系统也必须将所有可能产生的误差考虑进去。航天科技集团一院长征五号火箭副总设计师李学锋介绍,针对发动机后效等不确定因素,研制团队用随机“打靶”的方法,模拟出上万种情况,以验证控制系统设计的可靠性。“打靶”实验证明,即便预测的“后效”与实际情况有所出入,控制系统也能确保火箭精确入轨。而控制系统研制队伍早在长征五号系列火箭研制之初,就统筹考虑了长征五号和长征五号B的任务特点。控制系统的硬件可以通用,已实现产品化;软件也无需大改,就能适应两者不同的飞行任务。在火箭总体弹道设计上,科技人员也充分考虑了发动机“后效”的影响,基于发动机校准试车的实际数据进行计算,进一步优化了设计方案。多项瘦身举措收益可观对于多级火箭来说,芯一级、助推器减重,对提高运载能力的影响并不明显。而对于一级半入轨的长征五号B火箭来说,芯一级减重多少,运载能力几乎就可以提高多少;助推器减重与运载能力提高的比例也高达1.25:1。减重收益相当可观。长征五号B火箭的芯一级尾段位于箭体最后,不仅是发动机舱,当火箭竖立在发射台上时还能起到支撑作用。此前长征五号火箭的尾段,采用的是组合梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案。而在长征五号B火箭研制中,航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维复合材料“3+2”蜂窝夹层结构整体成型技术,用在了一级尾段的壁板和防热板结构成型中,实现减重约400公斤。中国航天科技集团一院供图该火箭助推器的减重也颇具特色。据航天科技集团八院长五系列项目办主任张修科介绍,长征五号火箭的助推器如同4位壮汉,分别用“单肩”扛着芯级,这对“肩膀”的结构提出了很高要求。而在长征五号B火箭身上,研制团队创新运用杠杆原理等,在捆绑点、助推器头锥中装上了4根“扁担”,变“单肩扛”为“双肩挑”,分散了受力。同时辅以先进的结构计算方式,综合改进头锥的结构,减重效果明显。助推器头锥、气瓶等方面的改进,共减重约600公斤。中国航天科技集团一院供图记者了解到,长征五号B火箭上采取的许多减重措施,未来也将应用在长征五号火箭上。据中国载人航天工程办公室消息,长征五号B火箭首飞成功,验证了火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性,突破了大尺寸整流罩分离技术、大直径舱箭连接分离技术、大推力直接入轨偏差精确控制技术等一批新技术,为我国空间站在轨建造任务奠定了重要基础。整流罩不止于大长征五号B火箭身上还有多项国内首创的黑科技,比如整流罩。整流罩是运载火箭的重要组成部分,用于保护卫星或其他有效载荷免受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。长征五号B火箭拥有目前我国最长最大的整流罩,整流罩长达20.5米,相当于6层楼高,直径达到5.2米。如此宽敞的空间,是为发射空间站核心舱和实验舱而量身打造。为了改善气动特性,该整流罩采用了冯·卡门曲线外形。冯·卡门曲线是一种非线性曲线,可以更好地减小空气阻力,减轻载荷所受影响。但如此外形的整流罩,展开之后并不是一个平面,而是立体的,制造难度高于传统的锥形整流罩。作为我国长度最长、重量最重的整流罩,另一个技术难点在于如何保证分离时的安全可靠。经过多方案对比,科技人员确定采用旋转式分离方案,并为此开展了大量仿真分析,以及多次整流罩分离试验,有效验证了设计正确性和各系统接口协调性。开创”冰箭“零窗口发射先河火箭发射窗口指允许火箭发射的时间范围,一般根据卫星或飞船入轨要求,以及多种限制条件综合权衡后确定,比如卫星的轨道精度要求、地球与行星的相对位置要求等。“零窗口”是指发射时间范围为零的发射窗口,也就是要求火箭必须分秒不差地点火升空。我国在实施天宫一号、北斗导航卫星等发射任务时,都曾经进行过零窗口发射。未来的空间站交会对接任务,对长征五号B火箭也提出了零窗口发射需求,发射时间精度误差要控制在1秒以内。作为采用液氢、液氧等低温推进剂的“冰箭”,长征五号B火箭的零窗口发射有着更高技术含量和更大难度。此次发射成功,也开创了新一代运载火箭零窗口发射的先河。为了实现零窗口发射,火箭各系统要确保在点火前一段时间,就完成各项准备。但低温推进剂加注后会不停地蒸发消耗,因此长征五号B火箭的准备状态并不是越早越好,而要严格按照时间要求精准完成,并且为应对各种情况充分做好预案。作为我国最复杂的运载火箭,长征五号火箭发射前非常繁忙,任何一处细微差错都可能造成发射流程延误,进而影响零窗口的实现。研制团队通过开展大量分析和试验,实现了关键系统可靠性提升;通过射前流程优化,进一步提高了各系统对于零窗口发射的适应性,最终保证了任务成功实施。相关链接目前我国长征系列火箭主要构型:两级火箭:长征二号、长征二号丙、长征二号丁两级半火箭:长征二号捆、长征二号F、长征五号、长征七号三级火箭:长征一号、长征三号、长征三号甲、长征四号系列、长征六号三级半火箭:长征三号乙/丙四级火箭:长征十一号(固体)一级半火箭:长征五号B长征五号B火箭小档案:芯级直径5米,捆绑4个3.35米直径助推器,整流罩直径5.2米,全箭总长约53.66米,起飞质量约849吨,起飞推力约1078吨 ,近地轨道运载能力不低于22吨。长征五号发射预报:2020年,长征五号系列火箭将执行3次发射任务。继长征五号B火箭首飞后,长征五号遥四火箭将于下半年发射我国首个火星探测器;年底前,长征五号火箭还将迎来第五次发射,将嫦娥五号月球探测器送上月球,实现对月球表面的采样返回。长征五号B火箭首飞任务完成技术方案验证后,长征五号B遥二至遥四任务将先后完成空间站3个舱段的发射任务。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

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