據(jù)碳纖維廠家小編了解,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)、下游復合材料及其應用。
碳纖維通常跟環(huán)氧樹脂一起混合使用,形成碳纖維復合材料。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的物理機械和電絕緣性能,附著力強,把碳纖維層層粘接在一起。
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。通常說的T,指橫截面面積為1平方厘米單位數(shù)量的該類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原形的拉伸模量。我國已經(jīng)掌握了T800生產(chǎn)技術,而日本東麗上世紀90年代就已掌握。
分子中能參與反應的官能團數(shù)被稱作官能度,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(tǒng)工作,而且科技含量高、研究難度大。
環(huán)氧樹脂的耐候性與玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有直接關系,普遍要求環(huán)氧樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不能低于180℃,而目前國產(chǎn)樹脂領域絕大多數(shù)企業(yè)還不具備相關技術。
對連續(xù)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(huán)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。”
環(huán)氧樹脂的改性還與智能自動化設備息息相關。我國碳纖維生產(chǎn)時間短,缺乏低成本的成套自動化生產(chǎn)設備,導致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品穩(wěn)定性不足等問題。
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(chǎn)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(chǎn)量約為4萬噸;而我國碳纖維企業(yè)30多家,總產(chǎn)能2萬噸左右,實際產(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(jù)波音要求來設計、生產(chǎn)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(jù)波音的使用要求和反饋,不斷糾錯、修正產(chǎn)品。