关注·宁波材料所新型高强高模碳纤维开发的高压储气瓶通过测试

本文摘要：（由ai生成）

宁波材料所研发的新型高强高模碳纤维制成的高压储气瓶性能卓越，爆破压力远超标准，疲劳试验远超出厂标准。新型碳纤维兼具高强度和高模量，是航空装备升级的关键材料。国内外已量产的高强高模碳纤维产品确立了领先地位，但研制技术难点在于平衡高强度和高模量的矛盾。

近日，宁波材料所以自研新型高强高模碳纤维为原料，通过复合材料缠绕工艺成型加工的高压储气瓶完成性能评测，高压储气瓶容积为3.5L，重量仅为1.5Kg，分别进行了水压爆破实验、疲劳试验等测试，在公称工作压力35.0MPa条件下，实际爆破压力达到60MPa，而疲劳试验结果显示：气瓶疲劳破坏次数为834次，远高于出厂标准500次。

爆破压力实验

高压储气瓶是以宁波材料所自主开发的新型高强高模碳纤维为原料，该型碳纤维拉伸强度≥5000MPa、拉伸模量330-400GPa，在2018年初，宁波材料所便形成小批量稳定制备能力，而该型纤维是高压气瓶最佳原材料（可参考本公 众号原创文章：复合材料气瓶用增强纤维的发展与趋势）。

循环充压实验曲线

新型高强高模碳纤维，是指同时具有高拉伸强度、高拉伸模量特性的新一代碳纤维，其典型特征在于高强度和高模量兼具。目前已经实现商业化生产的该型纤维代表为：日本东丽TORAYCA®MX碳纤维拉伸强度5700MPa、拉伸模量377GPa；以及美国赫氏公司新产品HexTow HM50型碳纤维拉伸强度5860MPa、拉伸模量345GPa。

2018年11月19日，日本东丽发布公告已开发出新的碳纤维，实现更高的拉伸强度和拉伸模量，TORAYCA®MX系列，并计划扩大其产品线。该公司还将使用MX系列碳纤维引入预浸胶（高性能树脂浸渍织物），以促进各种应用。从东丽碳纤维性能指标表上可以看出，其实这个新型碳纤维是在M40J基础上，强度提成30%（拉伸强度提高到了T800级碳纤维的水平），模量保持不变。

2019年3月12日，在巴黎复合材料展览会上，美国赫氏（Hexcel）公布了8款新产品，其中包括拉伸强度5860MPa、拉伸模量345GPa的HexTow HM50型碳纤维。日本、美国相继实现新型高强高模碳纤维产品量产，无疑再次在高性能碳纤维领域确定了领先地位。

目前国内外碳纤维已经历了两代产品发展，第一代以上世纪60年代东丽公司的T300和赫氏公司的AS4低强低模碳纤维为代表，T300主要用于波音737等型号的次承力构件，AS4应用在早期F-14战斗机的平尾等。第二代以上世纪80年代东丽公司的T800和赫氏公司IM7的高强中模碳纤维系列为代表，同代产品还有东丽的T700、T1000，赫氏的IM8、IM9等。T800强度比T300强度提高了68%，模量提高了28%，大量用于A350、B787的机翼机身主承力结构。IM7比AS4强度提高了37%，模量提高了21%，大量用于美国的“三叉戟”Ⅱ潜射导弹及F-22、F-35战斗机等。此外，东丽M40J、M50J、M55J级高模量碳纤维，由于碳纤维拉伸强度较低，作为中强高模碳纤维也属于第二代碳纤维。

总体而言，在第二代碳纤维中，高强中模碳纤维模量偏低、而中强高模碳纤维强度偏低，从而限制了航空航天武器装备性能提升。现阶段，航空领域最广泛应用的是第二代高强中模碳纤维，由于模量偏低，且碳纤维材料脆性大，易导致复合材料结构部件的疲劳损伤，甚至发生灾难性破坏，限制了航空武器装备性能的提升。而第二代中强高模碳纤维主要在航天卫星领域获得应用，但是强度偏低也对其广泛应用产生一定影响。

随着美国启动第六代战斗机、新一代远程轰炸机、第一代无人舰载作战飞机的研制，航空武器装备对巡航速度、航程、机动性、隐身性能、防护能力和维修性等指标都提出了更高要求，这就需要拉伸强度、断裂韧性、冲击性能等综合性能更高的碳纤维。尽快提高碳纤维模量的战略意义日益突出、需求日益迫切。要获得综合性能高的碳纤维，就必须在强度和模量这两个基本属性上取得突破。

在此背景下，兼具高强度高模量特性的新型高强高模碳纤维呼之欲出，该型碳纤维的主要技术特征是同时实现高拉伸强度和高弹性模量。同时实现高的拉伸强度和弹性模量是碳纤维研制的技术难点。原丝制备和碳化是碳纤维制备的两个关键工艺：高质量的PAN原丝是实现碳纤维高性能和批量生产的关键；碳化过程的控制与碳纤维的拉伸强度和弹性模量直接相关。多年的碳纤维研制经历表明：大幅度地提高碳纤维弹性模量时，拉伸强度会明显降低；而当保持碳纤维的高拉伸强度时，又很难大幅度提高纤维的弹性模量。究其原因，碳纤维是由大量石墨微晶组成的各向异性材料。高强碳纤维通常要求微晶尺寸较小，而高模碳纤维通常要求微晶尺寸较大，如何克服这一矛盾是碳纤维研制中的最大难题。

中科院宁波材料所于2008年成立了特种纤维事业部，专注于国产高性能碳纤维关键技术攻关，经过多年发展，目前事业部建有吨级规模聚丙烯腈（PAN）基高性能碳纤维柔性制备技术示范线、高性能纤维检测表征实验室等，拥有国家发改委碳纤维表征测试服务平台、国家发改委碳纤维制备技术工程实验室（共建）、高性能碳纤维产业化技术浙江省工程实验室、中国化纤协会国家高性能纤维表征检测（宁波）基地等平台。

宁波材料所相继实现了T700、T800、T1000级高强中模碳纤维，以及M40J、M50J、M55J、M60J级高强高模碳纤维的关键制备技术、吨级研发与工程化能力，2011年11月，宁波材料所研制的国产T800级高强中模碳纤维在国内率先通过成果鉴定，2016年1月、2018年3月，在国内相继实现M55J、M60J级高强高模碳纤维关键制备技术突破，填补国内相关领域技术与产品空白，目前宁波材料所业已形成了覆盖聚合、纺丝、预氧化、碳化、石墨化、表征的完整自主知识产权体系。

基于国产高性能碳纤维自主知识产权体系，宁波材料所于2015年便开始布局新型高强高模碳纤维研发工作，根据国内专业结构检测单位对宁波材料所2015年6月产品性能检测，批次碳纤维的拉伸强度分别高达5033MPa、5122MPa，拉伸模量却同时高达468.4GPa、475.6GPa，而且纤维离散系数均小于5%。

2017年在承接国家项目基础上，宁波材料所进一步加快新型高强高模碳纤维的批量制备工作，目前已经初步实现拉伸强度≥5000MPa、拉伸模量330-400GPa（相当于近期东丽M40X产品）小批量制备能力。

而在开发出新型高强高模碳纤维并实现小批量制备的基础上，宁波材料所进一步对其后续应用进行了探索研究，以该型纤维为原料制备了高压储气瓶，气瓶性能顺利通过评测。

此次高压储气瓶为铝合金内胆III型瓶，鉴于新型高强高模碳纤维材质为高压储气瓶带来的优异抗爆破能力和高循环使用寿命，未来，宁波材料所将着力开发基于该型碳纤维的IV型塑料材质内胆高压储气瓶。

来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部

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