碳纖維復合材料在國內各領域的新應用(圖)

　　對碳纖維產(chǎn)業(yè)來說，2016年是成果輝煌的一年，除了實現(xiàn)碳纖維T800千噸級的量產(chǎn)化之外，碳纖維復合材料在航空、交通、工業(yè)、民用等各領域的應用中也取得了一些令人驚喜的新進展。

　　航天：最大的碳纖維固體火箭發(fā)動機殼體

　　2016年9月22日，中國航天科工集團四院九部研發(fā)的快舟十一號固體運載火箭一級發(fā)動機地面試車圓滿成功，成為國內應用碳纖維復合殼體技術的尺寸較大、裝藥量較多的固體火箭發(fā)動機。該發(fā)動機直徑2.2m，總長9.7m，裝藥量45t，具有高質量比、高比沖、大推力等特點。本次試車驗證了大尺寸碳纖維復合殼體、大流量噴管、大噸位裝藥等關鍵技術，實現(xiàn)了大尺寸碳纖維復合殼體發(fā)動機技術工程應用的跨越式提升。

　　航海：首創(chuàng)碳纖維增強夾心結構船體推水密蓋板

　　上海滬舟實業(yè)有限公司自主研發(fā)出碳纖維艏側推水密蓋板，該技術獲得我國實用新型專利，目前在國際上屬于首創(chuàng)。蓋板本體采用多軸碳纖維和增強樹脂復合材料，具有強度高、比重輕、抗海水腐蝕等特點，在DNVGL試驗中心通過了強度測試，并獲得了DNVGL強度證書。此外，該產(chǎn)品為蜂窩夾層結構，側推水密蓋板的比重為1，整個水密蓋板能懸浮在水中，方便潛水員水下操作。為保證水密蓋板與船殼的線型吻合，現(xiàn)場采用3D掃描和電腦建模，通過有限元法計算蓋板強度，設計出合理結構，重量僅為國外同類型蓋板重量的五分之一，且強度滿足水下15米至25米作業(yè)要求。該產(chǎn)品主要是讓航運公司在不進塢的情況下，對船舶的艏側推進行維修和保養(yǎng)，大大節(jié)省了進塢維修成本和航行維修時間。

　　高鐵：阻燃型碳纖維復合材料結構件實現(xiàn)批量生產(chǎn)

　　無錫威盛新材料科技有限公司研制出的新型碳纖維復合材料具有阻燃、防火、增韌等多種性能，該種碳纖維復合材料制成的高鐵結構件已進入大批量生產(chǎn)階段。許多航空、汽車、軌道交通的突發(fā)事故中，事故的碰撞容易造成車體燃燒，車體材質燃燒后形成的濃煙和有害物質往往會導致致死率提升，而這種新型碳纖維復合材料能達到歐盟EN45545軌道車輛材料防火測試標準，遇火后不自燃，煙霧量極少，不釋放有害氣體，可以有效減少事故對人體產(chǎn)生的危害。而且中國高鐵平均時速超過200km/h，最高時速達到350km/h以上，超高的速度對車體結構以及車廂的材料要求非常嚴格，材料各項物理性能必須符合較高的標準。碳纖維復合材料制成的零部件質量很輕，但是它的強度比鋼都要大，用其取代金屬材料，可以大大減輕車體重量，在減少車體運行能源消耗的同時，還能提升車體的安全性。

　　風電：國內首支68米長碳纖維風機葉片

　　由江蘇連云港中復連眾復合材料集團有限公司自主研發(fā)的、國內首支68米長6兆瓦風機葉片日前裝運出海至歐洲。據(jù)悉，該葉片創(chuàng)新采用了碳纖維大梁的真空灌注工藝，攻克了國產(chǎn)12K碳纖維生產(chǎn)大面度碳纖維織物的難題，該葉片可以廣泛應用于海岸風場，為我國海上風機國產(chǎn)化奠定基礎，為國產(chǎn)碳纖維在大功率碳纖維葉片制造中的應用解決了國際難題，有助于增加我國搶占全球風電產(chǎn)業(yè)制高點。

　　基建：成功開發(fā)出絕緣型碳纖維復合芯導線

　　2016年，9月22日，呼和浩特供電局元山線線路改造工程在呼和浩特市金川開發(fā)區(qū)架線施工。該條線路采用內蒙古浩源新材料股份有限公司全新設計、生產(chǎn)的JKLRXYJQ/F1A-10170/20絕緣型碳纖維復合芯導線。該類導線可廣泛應用于10kV及以下配網(wǎng)輸電工程的增容改造和基建線路。據(jù)悉，這種新型導線在內蒙古地區(qū)應用尚屬首例，這種碳纖維復合芯導線具有重量輕、強度大、耐腐蝕、耐高溫、載流量大、弧垂小、省成本等優(yōu)勢，年生產(chǎn)能力2萬公里，產(chǎn)品現(xiàn)已廣泛應用于電網(wǎng)不同電壓等級的新建線路和舊網(wǎng)改造工程。

　　民用：全球首款碳纖維智能機器人電動車

　　近日，全球首款碳纖維智能機器人電動車，由神鷹碳纖維自行車股份有限公司自主研發(fā)成功，正式與市民見面。這款碳纖維智能機器人電動車車架采用了全碳纖維材料和先進的成型工藝，可以自由收縮和伸展，全車含電池僅重15公斤，車身輕便，便于攜帶，時速可達20公里/小時，最大載重150公斤，充電4小時可以續(xù)航30公里，加上備用電池可達60公里。自動折疊設計理念使得車身更易折疊且更加小巧，便于攜帶，無論是乘坐公交、地鐵，還是進入電梯，甚至帶著逛商場都不成問題。

電動客車輕量化、高強度、安全性重大突破(圖)

　　2016年4月15-4月17日，“2016天津國際客車、公交車及零部件展覽會”在天津梅江會展中心召開，本次會議最吸引人的是山東泰汽投資控股有限公司展出的一款新型的高強度碳纖維復合材料全車身客車，該車通過采用高強度碳纖維復合材料為車身，具有強抗擊能力和輕量化，同時，能夠40分鐘快速充電以及1次充電續(xù)航里程高達240km，實現(xiàn)了零排放、無污染等優(yōu)秀特點。

　　抗沖擊

　　從正在放映的電視中看到更為驚險、精彩的畫面：只見一臺大客車固定在側翻試驗臺上，隨著側翻角度加大，隨著一聲轟鳴整車隨即側翻在地面，只見所有玻璃破碎，然而車身未見任何扭曲、撕裂及變形，特別是裝在該車頂部200kWh近兩噸重的電池及箱體不僅完好無損，仍牢牢固定在車頂頂部,在場所有人員發(fā)出驚嘆的呼聲。而在現(xiàn)場一位工作人員正輪著大錘猛砸一塊制造電動客車的車身的材料，砸后沒有變形破裂。

　　這是一種新型的高強度碳纖維復合材料車身，不僅具有輕量化，更具有高強度。這是山東泰汽電動車輛(集團)有限公司展出的新款全新碳纖維結構電動客車。

　　輕量化

　　據(jù)韓國專家介紹，該展車采用超輕量，高強度復合材料車身，相比同級別車輛車身重量降低約2.5-3噸。由于車身比傳統(tǒng)同類車輕25%-30%，11米長的大客車重量降低達到近3噸，因此在同樣200kWh電池容量下行駛里程達到240公里以上，比國內大客車行駛里程超出20%以上，又因為整車重量減輕后，使得電池剩余電量在低于25%情況下可正常行駛。

　　抗翻滾性

　　由于整車車身采用了碳纖維結構，整體車身具有超強的結構強度，超高抗瞬間沖擊能力，因此具有良好的抗側傾性能，其側傾角可達到38°以上，比國內同類車指標優(yōu)化20%以上;由于具有較高側傾角，因此具有了更好的抗翻滾性。

　　阻燃隔離

　　近兩噸的電池箱體采用世界首創(chuàng)的頂置模式，充分證明車身的高強度性能;同時由于采用了阻燃技術，在電池箱體發(fā)生意外燃燒情況下，電池箱與車身乘客區(qū)域隔離及阻燃隔離，因此不會危及到車內乘客。

　　低地板

　　在換電演示中，通過專用的頂置換電用時45秒換電結束。同時該車選用低地板結構(離地最小距離150mm)，使得乘客上下車更為方便，在人性化設計上具有殘疾人上車輔助功能。

　　超強爬坡能力

　　該車具有85公里的最高時速，比國內同類型車超出30%的高速性能;同時由于重量的減輕，重心的降低，使得整車行駛穩(wěn)定性，轉彎慣性等一系列行駛性能得到極大的優(yōu)化和提高，特別是整車爬坡性能具有28°以上的超強爬坡能力。

　　達到國際標準

　　在整車重量減輕25%的情況下，整車一切性能得到極大的優(yōu)化提高，使得該車具有無與倫比的性能。據(jù)悉，該車一經(jīng)上市，受到了日本、新加坡、香港、歐盟地區(qū)的極大興趣和關注，于去年年底與日本三菱公司合作的三臺車已通過日本各項測試，投入運營。

　　據(jù)專家介紹，公司同時開發(fā)的電動客車擁有插電式、電池自動更換式、在線充電式電動客車技術，同時該公司開發(fā)了具有高技術含量的輪轂電機，并且通過使用高強度碳纖維復合材料車身實現(xiàn)了輕量化，具有零排放、無污染，40分鐘快速充電，具備了優(yōu)秀的電耗性能和大幅降低了客車運營消耗費用。而且通過車身的輕量化技術，提升了行駛安全性和乘車舒適感，為司機和乘客的安全與便利提供了無微不至的關懷。

　　據(jù)專家介紹，新型的高強度碳纖維復合材料在客車上的成功研發(fā)，這將是客車乃至整個汽車行業(yè)的一次顛覆性革命，是汽車行業(yè)的又一個里程碑。

中國成功研制T800碳纖維趕超日本 不止一代人的努力(圖)

　　日前，媒體報道，一直被國外封鎖壟斷的T800碳纖維也在哈爾濱宣告實現(xiàn)了低成本國產(chǎn)化，其生產(chǎn)成本僅為國際價格的三分之一。在實現(xiàn)低端市場逐步替換國外產(chǎn)品的同時，在中高端市場上也打破了國外企業(yè)壟斷。更可貴的是，根據(jù)相關單位的論文和測試結果，國產(chǎn)T800型碳纖維在性能上完全不輸于日本東麗公司的同類產(chǎn)品，而在局部技術參數(shù)上更是具有一定優(yōu)勢。雖然今日中國碳纖維產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展期，但也是經(jīng)歷了風風雨雨才有今天的成績。

　　自主研發(fā)遭遇困局，技術引進折戟沉沙

　　1959年，日本發(fā)明了用聚丙烯腈為原絲加張力牽伸制造碳纖維的方法，西方于上世紀70年代開始商業(yè)化，隨后，由于碳纖維優(yōu)良的特性，被運用于民用航空和軍事用途。

　　中國碳纖維研究始于60年代初，但由于當時國際環(huán)境惡劣，且西方對于碳纖維這樣的軍民兩用技術對中國高度技術封鎖，加上國內資源緊張，碳纖維的相關研究工作進展相對有限。

　　直到1975年，在張愛萍將軍的部署下，聯(lián)合20多家研究所和企業(yè)共同攻關，終于解決了有無的問題。不過，這批產(chǎn)品也存在一定瑕疵，比如力學性能相對國外同類產(chǎn)品較為有限，成本上相對國外同類產(chǎn)品偏高等。

　　在之后的幾年里，國家累計投入2600多萬元，用于碳纖維的研發(fā)和生產(chǎn)，一定程度上滿足了部分國防軍工的需求。但是也存在很大一個問題——在產(chǎn)品質量無法于日本相比的同時，成本卻大幅高于日本產(chǎn)品，而且技術差距有越來越大的趨勢……

　　正是因為這種情況，加上那個特殊年代對洋技術的無限頂禮膜拜，很多單位把希望寄托于引進國外先進技術。某單位還承諾，對引進國外先進技術將給予資金支持。

　　然而事與愿違，由于巴統(tǒng)條約（巴黎統(tǒng)籌，是對社會主義國家實行禁運和貿易限制的國際組織——觀察者網(wǎng)注）限制，國際上在技術方面處于第一梯隊的大公司都不愿意向中國轉讓技術，而且即便是購買少量設備，也往往遭遇政治壁壘——上海碳素廠力圖從美國引進設備的舉措因美國國防部干涉無疾而終。

　　因此，技術引進的對象只能從那些技術處于中下游且不夠成熟的西方公司中選擇。最終，位于吉林和北京的兩家單位選擇了英國RK公司，然而RK公司的技術雖然略高于國內，但在歐美日本卻算不上先進水平。而且雖然沒有明確證據(jù)表明RK公司在技術上是否有所保留，或者故意使壞，但從結果上看，很難不讓人往陰謀論方面聯(lián)想。

　　兩個項目共耗資900萬美元左右，到1990年，吉林的那家單位的炭化爐始終無法正常運轉；北京那家單位耗費了7年時間也未能成功，直到1993年“驗收”，設備依舊無法正常運行。

　　不得已，在2套引進設備均無法正常運轉的情況下，最后只能當廢鐵賣了。技術引進的失敗不僅耗費了大筆經(jīng)費，也浪費了寶貴的時間，這筆學費不可謂不高昂。而且因技術引進的失敗，導致和日本的技術差距拉得更大了。

　　總結經(jīng)驗教訓攻克難關

　　2000年，中國碳纖維研發(fā)正處于低谷，國內只有三家單位還在勉強支撐，而且也僅僅是小批量供貨以滿足國防軍工的部分需要。

　　就在危急存亡之秋，金屬學及材料科學家?guī)煵w先生提出要發(fā)展碳纖維，師昌緒先生表示：中國的材料科技工作者解決了國防需要的成千上萬種新材料，碳纖維制備技術不能突破，是材料科技工作的重大失誤......師昌緒當時已近80歲了，80歲以后完全可以少管點事，但他想抓一抓碳纖維，他認為碳纖維上不去，國防安全無保證，將死不瞑目。

　　隨后，成立了以師昌緒先生為組長的課題組（日常工作由李克健教授主持），負責聚丙稀腈基碳纖維發(fā)展對策研究。之后又聯(lián)合多個部門和單位，多次召開會議，對過去的決策失誤、研發(fā)力量分散、資金使用效率等問題做了討論，并形成了四點共識：對碳纖維的重要性和技術難度缺乏正確估計；投資嚴重不足，使用嚴重不當；形不成國家攻關隊伍；缺乏創(chuàng)新意識和創(chuàng)新環(huán)境（李克健教授認為這幾點共識雖然深度不夠，但也大體反映了實際狀況，再說過多的話，可能會影響隊伍團結）。

　　正是這些努力，不僅對避免重蹈覆轍意義重大，還對爭取“十五”研究經(jīng)費起到重要作用。之后，國家自然科學基金委員會批準碳纖維2個重點項目。2005年，碳纖維項目被批準為國家重大基礎研究項目。

　　為了推進碳纖維的研究，師昌緒先生提出要集中優(yōu)勢力量，打破門戶之別，組織國家隊，研制單位控制在2—3家，建立競爭機制等措施，這些舉措不僅對集中力量攻堅有積極意義，也提高了經(jīng)費的使用效率，避免了“多家瓜分，各行其事”的窘境。在積極自主研發(fā)的同時，也不放棄技術引進的機會，國內引進了相當于日本東麗碳纖維T300水平的生產(chǎn)線（畢竟T300是上世紀70年代的東西，21世紀才引進阻礙小），對產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了一定作用。

　　正是師昌緒等一批老一輩科學家的極力推動，和一大批默默無聞的年輕研究人員的無私奉獻，和國家的高度重視和大量資金投入，以及兩條腿走路的方針，使中國碳纖維產(chǎn)業(yè)度過了最艱難的時刻。

　　近年來，中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，碳纖維產(chǎn)量穩(wěn)步增長，具體情況如下圖。

　　但在看到進步的同時，也要看到差距。目前，國際碳纖維市場的半壁江山被日本占據(jù)，在小絲束纖維產(chǎn)能上，日本企業(yè)占全球的49％，在大絲束碳纖維產(chǎn)能上，日本企業(yè)占全球產(chǎn)能的52％。

　　不僅產(chǎn)能上有差距，在產(chǎn)品質量和使用用途上也有差距，目前國內還無法商業(yè)化量產(chǎn)可以匹敵東麗T1000的產(chǎn)品，在用途方面，國產(chǎn)碳纖維主要用于自行車、高爾夫球棒和釣魚竿等體育休閑用品，而能夠用于航天航空的碳纖維產(chǎn)品相對較少。

　　國產(chǎn)T800可以替換東麗同類產(chǎn)品

　　所謂T300、T800、T1000等稱謂，其實是日本東麗公司的碳纖維型號，只是由于東麗公司在行業(yè)內的地位，所以導致其型號在媒體的報道中，無形中演化成類似于某種強度的碳纖維標桿。從中其實也能看出日本企業(yè)在碳纖維領域的行業(yè)地位。

　　在集成電路領域中，三星的14nm制造工藝雖然和Intel的14nm制造工藝同屬于14nm，但采用三星工藝加工出來的芯片在性能、功耗等方面與Intel的相比卻存在一定差距。那么，國產(chǎn)的T800和日本東麗的T800也存在類似同屬T800，但產(chǎn)品性能卻遜色不少的情況么？

　　一篇由中航復合材料有限責任公司、北京航空材料研究院、先進復合材料重點實驗室、核工業(yè)理化工程研究院、北京航空航天大學材料科學與工程學院技術人員共同署名發(fā)表的論文對國產(chǎn)T800碳纖維和日本東麗T800碳纖維做了非常詳細的測試。

　　在測試中，研究人員采用日本Hitachi公司生產(chǎn)的S4800N型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察碳纖維的表面形貌，并計算纖維直徑。采用美國Veeco公司生產(chǎn)的D3000型原子力顯微鏡，觀察碳纖維表面形貌，分析表面粗糙度。采用英國Kratos公司生產(chǎn)的X射線光電子能譜儀，分析碳纖維的表面成分。采用北京航空航天大學研制的微脫黏試驗機，測試纖維與基體樹脂的界面剪切強度。采用美國Instron公司生產(chǎn)的5982型材料電子萬能試驗機測試復合材料室溫干態(tài)力學性能。測試表明：

　　在表面物理態(tài)上，相對于東麗T800H碳纖維，國產(chǎn)T800碳纖維的表面較為粗糙，沿纖維軸向分布著更密集的溝槽，且溝槽的深度也較深，這種形貌特征有利于提高國產(chǎn)T800碳纖維與基體樹脂的機械嚙合作用，從而提高復合材料的界面性能。

　　（T800H碳纖維和國產(chǎn)T800碳纖維的AFM照片）

　　由于國產(chǎn)T800碳纖維的氧碳原子比約為T800碳纖維約為31.2％，約為東麗T800H碳纖維的2倍，因此，國產(chǎn)T800碳纖維能夠通過化學鍵合或分子間作用力與基體樹脂形成相互作用，從而提高復合材料的界面性能。加上之前提到的在表面物理態(tài)上的差異，使得國產(chǎn)T800碳纖維與HT-280樹脂能形成更好的界面黏結。

　　而測試也證明了這一點，東麗T800H碳纖維與HT-280樹脂的界面剪切強度約為92MPa，國產(chǎn)T800碳纖維與HT-280樹脂的界面剪切強度約為117MPa，后者較前者高約27％。

　　在力學性能方面，國產(chǎn)T800／HT-280復合材料的0°拉伸、90°拉伸、彎曲、面內剪切和層間剪切等力學性能均普遍高于東麗T800／HT-280復合材料。其中，90°拉伸強度高約25％，面內剪切強度、彎曲強度高約12％、層間剪切強度高約7％。

　?。═800H／HT-280復合材料和國產(chǎn)T800／HT-280復合材料90°拉伸試樣破壞SEM照片）

　　一篇中國科學院大學的博士論文也證明：國產(chǎn)T800碳纖維拉伸強度平均值5.63GPa（東麗T800為5.49GPa），彈性模量平均值292GPa，斷裂伸長率平均值1.9%，與東麗公司T800碳纖維產(chǎn)品一致，表明國產(chǎn)碳纖維力學性能完全達到了國外同類產(chǎn)品水平，且各項指標Cv值均較低，穩(wěn)定性較好。國產(chǎn)T800碳纖維12K產(chǎn)品的元素成分和表面活性與東麗T800碳纖維12K產(chǎn)品比較一致。國產(chǎn)T800碳纖維整體可媲美日本東麗T800產(chǎn)品，完全可以取代國外同類產(chǎn)品加以推廣應用。

　　結語

　　目前，日本是高檔碳纖維材料的主要生產(chǎn)國，日本東麗公司的T800系列碳纖維，是唯一被美國FAA批準用于波音777關鍵飛行部件的碳纖維，航空工業(yè)中碳纖維的重要性不言而喻。

　　西方國家長期對中國施行T800系列碳纖維禁運，以阻止中國以此提高軍用飛機性能以及在國際航空航天材料中獲得競爭力。2013年有中國商人在美國被控告非法采購T800系列碳纖維。

　　必須指出的是，過去國內雖然能做出與國外媲美的產(chǎn)品，但在成本上往往高于國外同類產(chǎn)品。而據(jù)哈爾濱人民政府網(wǎng)站1月16日報道，天順化工將規(guī)?；a(chǎn)的T800級碳纖維的成本，控制到國際價格的三分之一，僅為350元/公斤，這實現(xiàn)在技術上能與國外同類產(chǎn)品爭鋒的同時，在定價上也占據(jù)主動，這對國產(chǎn)T800碳纖維的產(chǎn)業(yè)發(fā)展和商業(yè)化應用就尤為關鍵了。