卡脖子專欄 | 環氧樹脂韌性不足,國產碳纖維缺股勁兒

                          “碳纖維產業鏈核心環節很多,包括上游原絲生產、中游碳化環節、下游復合材料及其應用,經過十多年的研發和突破,目前我國碳纖維的‘卡脖子’問題主要在下游應用環節,即復合材料和制品方面。”中國化學纖維工業協會副會長賀燕麗說。

                          碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度新型纖維材料,之所以其質量能比金屬鋁輕,但強度卻高于鋼鐵,還能耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等特性,其中一個關鍵的復合輔材就是環氧樹脂。環氧樹脂具有優良的物理機械和電絕緣性能,附著力強,能將碳纖維粘接在一起。但目前國內生產的高端碳纖維,所使用的環氧樹脂全部都是進口的。

                          脆弱的環氧樹脂改性之難

                          碳纖維按照力學性能可分為高強型、超高強型、高模量型和超高模量型。在日本東麗公司產品代號中,T指橫截面面積為1平方厘米單位數量的該類碳纖維可承受的拉力噸數,即T數越高,碳纖維質量越好;模量指受外拉力或壓力后恢復原形的拉伸模量。目前,我國已能生產T800等較高端的碳纖維了,但日本東麗掌握這一技術的時間是上世紀90年代。

                          中國復合材料集團有限公司董事長張定金說,相比于碳纖維,我國高端環氧樹脂產業落后于國際的情況更為嚴重。特別是應用在飛機、航空航天等領域的高端碳纖維中。

                          分子結構中含有環氧基團的高分子化合物統稱為環氧樹脂,除碳纖維外,還廣泛應用于機械、電子、家電和土建工程等領域。

                          高端環氧樹脂依賴進口一方面與我國化學工業基礎薄弱有關,另一方面與環氧樹脂本身特性有關。一個分子鏈上有兩個以上的多官能團分子,可以交聯反應而形成不溶、不熔具有三向網狀結構的高聚物。而航空結構件的使用環境極為嚴苛,碳纖維復合材料必須能長期耐得住上百攝氏度的高溫和零下幾十攝氏度的低溫;同時,在濕熱條件下玻璃化轉變溫度、彈性模量及壓縮強度不能顯著下降,這就需要更高官能度、環氧值而且黏度合適的相關產品。

                          分子中能參與反應的官能團數被稱作官能度,有業內人士表示,不是官能度越高越好。能度太高,復合材料會過于堅硬無韌性。因此,必須具體到在不同使用條件下,考慮強度、模量、韌性、高低溫、疲勞等,從配方體系、分子結構去分析,這是一個非常復雜的系統工作,而且科技含量高、研究難度大。

                          環氧樹脂的耐候性與玻璃化轉變溫度有直接關系,復合材料在航空領域應用時,普遍要求環氧樹脂玻璃化轉變溫度不能低于180℃,而目前國產樹脂領域絕大多數企業還不具備相關技術。

                          缺智能自動化設備

                          對連續碳纖維增強復合材料使用性能構成最大威脅的是復合材料的低速沖擊分層損傷,這也是高性能復合材料能否在飛機結構中推廣應用的核心。造成復合材料對沖擊分層損傷敏感的主要原因之一是環氧樹脂本身韌性不足。

                          為滿足要求,增韌后的復合材料沖擊后壓縮強度(CAI值)至少需達到200—300兆帕水平。目前,國際上通行的樹脂增韌方法包括原位粒子增韌或離位插層增韌。“各分子間組合關系非常復雜,要最終達到剛韌兼顧,沒有長期的研究基礎和多年實驗自然很難研制成功。”樹脂協會環氧分會秘書長孔振武說。

                          “環氧樹脂的改性還與智能自動化設備息息相關。”東華大學材料科學與工程學院教授余木火表示,我國碳纖維生產時間短,缺乏低成本的成套自動化生產設備,導致生產效率低、產品穩定性不足等問題。

                          “還需要對這樣的智能化設備加大研發和生產力度。”賀燕麗說。

                          應用牽引不足進步慢

                          環氧樹脂情況特殊,“不同用途,其結構和性能等都不同。”孔振武說,我國碳纖維材料生產與應用相互脫節,應用對之牽引不足,沒有反饋修正,環氧樹脂等技術進步自然也就慢了。

                          目前,高端碳纖維用得最多的是在飛機上,如在波音B787機型上,使用東麗公司生產的碳纖維復合材料已占總材料用量的50%。2016年,東麗公司的碳纖維產量約為4萬噸;而我國碳纖維企業30多家,總產能2萬噸左右,實際產量約7000噸。

                          東麗碳纖維大量使用在波音上絕非是一朝一夕之功。從上世紀80年代開始,東麗公司就和波音進行全方位合作,東麗人甚至是住到了波音公司里,根據波音要求來設計、生產碳纖維。直到2011年—2012年,使用碳纖維的飛機才開始試飛,磨合時間長達近30年,并根據波音的使用要求和反饋,不斷糾錯、修正產品。

                          此外,在一個行業中一旦形成領先效應,超越就很難。目前波音飛機、美國F-22和F-35戰斗機上使用的碳纖維環氧樹脂都來自美國亨斯曼公司。余木火說,亨斯曼的產品早已通過了材料和工藝認證,如果要使用其他企業生產的環氧樹脂,還需要一個漫長、繁復的論證過程,碳纖維生產企業自然愿意使用亨斯曼的。這也不利于國內高端環氧樹脂產品迎頭趕上。

                          (來源:科技日報)

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                          責任編輯: 范琪
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