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环氧树脂韧性不足 国产碳纤维缺股劲儿

发布于:2018/7/27 21:57:30

关键词:环氧树脂,树脂

简   介:“碳纤维产业链关键环节不少,包括上游原丝生产、中游碳化环节、下游复合材料及其应用,经过十多年的研发跟突破,当下中国碳纤维的‘卡脖子’问题主要在下游应用环节,即复合材料跟制品角度。”我 国化学纤维工业协...


“碳纤维产业链关键环节不少,包括上游原丝生产、中游碳化环节、下游复合材料及其应用,经过十多年的研发跟突破,当下中国碳纤维的‘卡脖子’问题主要在下游应用环节,即复合材料跟制品角度。”我 国化学纤维工业协会副会长贺燕丽说。
    碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料,之因此其质量能比金属铝轻,但强度却高于钢铁,还能耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等特性,当中一个核心的复合辅材就是环氧树脂。环氧树脂拥有优良的物理机械跟电绝缘性能,附着力强,能将碳纤维粘接在一起。但当下国内生产的高端碳纤维,所运用的环氧树脂全部都是进口的。
    脆弱的环氧树脂改性之难
    碳纤维按照力学性能可分为高强型、超高强型、高模量型跟超高模量型。在日本东丽公司产品代号中,T指横截面面积为1平方厘米单位数量的这个类碳纤维可承受的拉力吨数,即T数越高,碳纤维质量越好;模量指受外拉力或压力后恢复原形的拉伸模量。当下,中国已能生产T800等较高端的碳纤维了,但日本东丽掌握这一技术的时间是上世纪90年代。
    我国复合材料集团有限公司董事长张定金说,比较于碳纤维,中国高端环氧树脂产业落后于国际的状况更为严峻。特殊是应用在飞机、航空航天等领域的高端碳纤维中。
    分子结构中含有环氧基团的高分子化合物统称为环氧树脂,除碳纤维外,还广泛应使用于机械、电子、家电跟土建工程等领域。高端环氧树脂依赖进口一角度跟中国化学工业基础薄弱有关,另一角度跟环氧树脂本身特性有关。一个分子链上有两个以上的多官能团分子,能够交联反应而形成不溶、不熔拥有三向网状结构的高聚物。而航空结构件的运用环境极为严苛,碳纤维复合材料必须能长期耐得住上百摄氏度的高温跟零下几十摄氏度的低温;同时,在湿热条件下玻璃化转变温度、弹性模量及压缩强度不能明显下跌,这就需要更高官能度、环氧值并且黏度合适的相关产品。
    分子中能参跟反应的官能团数被称作官能度,有业内人士表态,不是官能度越高越好。能度太高,复合材料会过于坚硬无韧性。所以,必须具体到在不一样运用条件下,考虑强度、模量、韧性、高低温、疲劳等,从配方体系、分子结构去分析,这是一个十分复杂的系统工作,并且科技含量高、研究难度大。
    环氧树脂的耐候性跟玻璃化转变温度有直接关系,复合材料在航空领域应用时,普遍要求环氧树脂玻璃化转变温度不能低于180℃,而当下国产树脂领域绝大多数企业还不具备相关技术。
    缺智能自动化设备
    对连续碳纤维增强复合材料运用性能构成最大威胁的是复合材料的低速冲击分层损伤,这也是高性能复合材料能不能在飞机结构中推广应用的关键。造成复合材料对冲击分层损伤敏感的主要原因之一是环氧树脂本身韧性不足。
    为满足要求,增韧后的复合材料冲击后压缩强度(CAI值)至少需达到200—300兆帕水平。当下,国际上通行的树脂增韧方法包括原位粒子增韧或离位插层增韧。“各分子间组合关系十分复杂,要最终达到刚韧兼顾,没有长期的研究基础跟多年实验自然很难研制作成功。”树脂协会环氧分会秘书长孔振武说。
    “环氧树脂的改性还跟智能自动化设备息息相关。”东华大学材料科学跟工程学院教授余木火表态,中国碳纤维生产时间短,缺少低成本的成套自动化生产设备,导致生产效率低、产品稳定性不足等问题。
    “还需要对这样的智能化设备扩大研发跟生产力度。”贺燕丽说。
    应用牵引不足进步慢
    环氧树脂状况特别,“不一样用途,其结构跟性能等都不一样。”孔振武说,中国碳纤维材料生产跟应用相互脱节,应用对之牵引不足,没有反馈修正,环氧树脂等技术进步自然也就慢了。
    当下,高端碳纤维用得最多的是在飞机上,如在波音B787机型上,运用东丽公司生产的碳纤维复合材料已占总材料用量的50%。2016年,东丽公司的碳纤维产量约为4万吨;而中国碳纤维企业30多家,总产能2万吨左右,实际产量约7000吨。
    东丽碳纤维大量运用在波音上绝非是一朝一夕之功。从上世纪80年代开始,东丽公司就跟波音进行全方位合作,东丽人甚至是住到了波音公司里,根据波音要求来设计、生产碳纤维。直到2011年—2012年,运用碳纤维的飞机才开始试飞,磨合时间长达近30年,并根据波音的运用要求跟反馈,继续纠错、修正产品。
    此外,在一个行业中一旦形成率先效应,超越就很难。当下波音飞机、美国F-22跟F-35战斗机上运用的碳纤维环氧树脂都来自美国亨斯曼公司。余木火说,亨斯曼的产品早已通过了材料跟工艺认证,要是要运用别的企业生产的环氧树脂,还需要一个漫长、繁复的论证经历,碳纤维生产企业自然愿意运用亨斯曼的。这也不利于国内高端环氧树脂产品迎头赶上。