碳纖維（資料）
原標(biāo)題：環(huán)氧樹(shù)脂韌性不足，國(guó)產(chǎn)碳纖維缺股勁兒
“碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)很多，包括上游原絲生產(chǎn)、中游碳化環(huán)節(jié)、下游復(fù)合材料及其應(yīng)用，經(jīng)過(guò)十多年的研發(fā)和突破，目前我國(guó)碳纖維的‘卡脖子’問(wèn)題主要在下游應(yīng)用環(huán)節(jié)，即復(fù)合材料和制品方面。”中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)賀燕麗說(shuō)。
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度新型纖維材料，之所以其質(zhì)量能比金屬鋁輕，但強(qiáng)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(gè)關(guān)鍵的復(fù)合輔材就是環(huán)氧樹(shù)脂。環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)良的物理機(jī)械和電絕緣性能，附著力強(qiáng)，能將碳纖維粘接在一起。但目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高端碳纖維，所使用的環(huán)氧樹(shù)脂全部都是進(jìn)口的。
脆弱的環(huán)氧樹(shù)脂改性之難
碳纖維按照力學(xué)性能可分為高強(qiáng)型、超高強(qiáng)型、高模量型和超高模量型。在日本東麗公司產(chǎn)品代號(hào)中，T指橫截面面積為1平方厘米單位數(shù)量的該類(lèi)碳纖維可承受的拉力噸數(shù)，即T數(shù)越高，碳纖維質(zhì)量越好；模量指受外拉力或壓力后恢復(fù)原形的拉伸模量。目前，我國(guó)已能生產(chǎn)T800等較高端的碳纖維了，但日本東麗掌握這一技術(shù)的時(shí)間是上世紀(jì)90年代。
中國(guó)復(fù)合材料集團(tuán)有限公司董事長(zhǎng)張定金說(shuō)，相比于碳纖維，我國(guó)高端環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)業(yè)落后于國(guó)際的情況更為嚴(yán)重。特別是應(yīng)用在飛機(jī)、航空航天等領(lǐng)域的高端碳纖維中。
分子結(jié)構(gòu)中含有環(huán)氧基團(tuán)的高分子化合物統(tǒng)稱(chēng)為環(huán)氧樹(shù)脂，除碳纖維外，還廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、家電和土建工程等領(lǐng)域。高端環(huán)氧樹(shù)脂依賴(lài)進(jìn)口一方面與我國(guó)化學(xué)工業(yè)基礎(chǔ)薄弱有關(guān)，另一方面與環(huán)氧樹(shù)脂本身特性有關(guān)。一個(gè)分子鏈上有兩個(gè)以上的多官能團(tuán)分子，可以交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。而航空結(jié)構(gòu)件的使用環(huán)境極為嚴(yán)苛，碳纖維復(fù)合材料必須能長(zhǎng)期耐得住上百攝氏度的高溫和零下幾十?dāng)z氏度的低溫；同時(shí)，在濕熱條件下玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彈性模量及壓縮強(qiáng)度不能顯著下降，這就需要更高官能度、環(huán)氧值而且黏度合適的相關(guān)產(chǎn)品。
分子中能參與反應(yīng)的官能團(tuán)數(shù)被稱(chēng)作官能度，有業(yè)內(nèi)人士表示，不是官能度越高越好。能度太高，復(fù)合材料會(huì)過(guò)于堅(jiān)硬無(wú)韌性。因此，必須具體到在不同使用條件下，考慮強(qiáng)度、模量、韌性、高低溫、疲勞等，從配方體系、分子結(jié)構(gòu)去分析，這是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工作，而且科技含量高、研究難度大。
環(huán)氧樹(shù)脂的耐候性與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有直接關(guān)系，復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)，普遍要求環(huán)氧樹(shù)脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不能低于180℃，而目前國(guó)產(chǎn)樹(shù)脂領(lǐng)域絕大多數(shù)企業(yè)還不具備相關(guān)技術(shù)。
缺智能自動(dòng)化設(shè)備
對(duì)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使用性能構(gòu)成最大威脅的是復(fù)合材料的低速?zèng)_擊分層損傷，這也是高性能復(fù)合材料能否在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用的核心。造成復(fù)合材料對(duì)沖擊分層損傷敏感的主要原因之一是環(huán)氧樹(shù)脂本身韌性不足。
為滿(mǎn)足要求，增韌后的復(fù)合材料沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI值）至少需達(dá)到200—300兆帕水平。目前，國(guó)際上通行的樹(shù)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(guān)系非常復(fù)雜，要最終達(dá)到剛韌兼顧，沒(méi)有長(zhǎng)期的研究基礎(chǔ)和多年實(shí)驗(yàn)自然很難研制成功。”樹(shù)脂協(xié)會(huì)環(huán)氧分會(huì)秘書(shū)長(zhǎng)孔振武說(shuō)。
“環(huán)氧樹(shù)脂的改性還與智能自動(dòng)化設(shè)備息息相關(guān)。”東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授余木火表示，我國(guó)碳纖維生產(chǎn)時(shí)間短，缺乏低成本的成套自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。
“還需要對(duì)這樣的智能化設(shè)備加大研發(fā)和生產(chǎn)力度。”賀燕麗說(shuō)。
應(yīng)用牽引不足進(jìn)步慢
環(huán)氧樹(shù)脂情況特殊，“不同用途，其結(jié)構(gòu)和性能等都不同。”孔振武說(shuō)，我國(guó)碳纖維材料生產(chǎn)與應(yīng)用相互脫節(jié)，應(yīng)用對(duì)之牽引不足，沒(méi)有反饋修正，環(huán)氧樹(shù)脂等技術(shù)進(jìn)步自然也就慢了。
目前，高端碳纖維用得最多的是在飛機(jī)上，如在波音B787機(jī)型上，使用東麗公司生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料已占總材料用量的50%。2016年，東麗公司的碳纖維產(chǎn)量約為4萬(wàn)噸；而我國(guó)碳纖維企業(yè)30多家，總產(chǎn)能2萬(wàn)噸左右，實(shí)際產(chǎn)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(jì)80年代開(kāi)始，東麗公司就和波音進(jìn)行全方位合作，東麗人甚至是住到了波音公司里，根據(jù)波音要求來(lái)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)碳纖維。直到2011年—2012年，使用碳纖維的飛機(jī)才開(kāi)始試飛，磨合時(shí)間長(zhǎng)達(dá)近30年，并根據(jù)波音的使用要求和反饋，不斷糾錯(cuò)、修正產(chǎn)品。
此外，在一個(gè)行業(yè)中一旦形成領(lǐng)先效應(yīng)，超越就很難。目前波音飛機(jī)、美國(guó)F-22和F-35戰(zhàn)斗機(jī)上使用的碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂都來(lái)自美國(guó)亨斯曼公司。余木火說(shuō)，亨斯曼的產(chǎn)品早已通過(guò)了材料和工藝認(rèn)證，如果要使用其他企業(yè)生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂，還需要一個(gè)漫長(zhǎng)、繁復(fù)的論證過(guò)程，碳纖維生產(chǎn)企業(yè)自然愿意使用亨斯曼的。這也不利于國(guó)內(nèi)高端環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)品迎頭趕上。
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