2019全球先进纤维复合材料研发热点

 

       在徐坚教授的带领下，材料委天津院前沿材料团队及中科院化学所对2019 年全球范围内高性能纤维复合材料在新产品、新工艺以及新市场等方面取得的科技进展进行了回顾。

 

作者简介：

 

徐坚，深圳大学特聘教授，国家新材料产业发展战略咨询委员会常务副主任

 

聂铭歧、王熙大、季俊娜、王亚会、李林洁，材料委天津院前沿材料团队行业分析师

 

朱才镇，深圳大学特聘研究员

 

刘瑞刚，中国科学院化学研究所研究员

 

 

美国科技进展

 

 

 2019年9月，美国陆军研究实验室表示正在通过将超高分子量聚乙烯与氧化硅纳米粒子结合的一种新技术制备用于防弹衣的新材料，这种新材料具有更高的强度，是吸收子弹和其它弹壳撞击的理想材料。2019年11月，美国官员表示，目前美国特种部队正在对一款轻型战斗装甲进行测试，它是之前“战术突击轻型行动服（TALOS）”的项目成果之一，这款轻型装甲是一种“轻型聚乙烯肢体防护装甲”，既强固又轻巧，比现行的标准防护装备轻了25%，这款新型的战斗装甲与现役的标准步兵防弹服（身体覆盖率19%）相比，身体覆盖率达到44%以上，能有效保护士兵的肩膀、体前侧、前臂和跨部。

 

 

2019年3月15日，美国空军研究实验室（AFRL）与阿肯色大学、迈阿密大学合作开发出3D碳纤维/环氧树脂复合材料，研制出一种定制化直接喷墨3D打印设备，可用于加工航空航天领域的短纤维环氧树脂复合材料结构件，这种材料的开发为下一代多功能无人飞行器结构零件的制造提供了技术支持。

 

 

在汽车领域，美国通用汽车公司于2019年宣布开始在通用Sierra皮卡“GMC Sierra Denali 1500”和“GMC Sierra AT4 1500”中使用碳纤维车厢，该皮卡车厢（CarbonPro）由通用公司与帝人联合开发，是世界上首次将碳纤维增强热塑性塑料用于大批量生产的汽车结构部件，这款“CarbonPro”与其他皮卡车厢相比，重量减少了约25%，且具有一流的抗凹痕、耐刮擦和耐腐蚀性。

 

 

2019年6 月，美国莱斯大学的Ajayan团队研发了一种高介电、高导热以及耐高温芳香聚酰胺纤维增强的层状复合材料。该材料介电常数最高可达6.3，导热系数最高可达2.4 W·m﹣1·K﹣1，击穿强度可高达292MV ·m﹣1，杨氏模量达到 11GPa，有望应用于高温储能器件中。

 

 

2019年1月，佐治亚理工学院的Kumar 团队采用聚丙烯腈（PAN）纤维为原料，成功制备了质量分数超过40%的纳米微晶纤维素（CNC）碳纤维。PAN/CNC 基碳纤维的拉伸强度在1.8~2.3 GPa 范围内，拉伸模量在220~265 GPa范围内。

 

 

6.东丽公司研制出世上首个具有纳米级连续孔结构的多孔碳纤维

 

2019年11月18日，东丽公司通过自身的聚合物技术和纤维技术，研制出世界上第一种具有纳米级连续孔结构的多孔碳纤维，并且可以利用自身的技术确保孔隙的均匀分布以及定制多孔结构的固定尺寸，这种纤维材料结构紧密且质轻，具有优异的化学稳定性和透气性，可以用来制作先进膜材料的支撑层，实现更具有环境友好性的天然气和沼气净化、温室气体分离以及安全制氢。

 

 

2019 年3月4 日，帝人公司宣布研发出了一种新型碳纤维增强双马来酰亚胺树脂（BMI）预浸料，这种预浸料具 有高达280℃的玻璃化转变温度，以及较高的冲击后抗压强度和较小的线性热膨胀系数，是日本首个兼具高耐热性和高耐冲击性的BMI 预浸料，为航空航天发动机零部件的生产提供了新的思路。

 

 

2019年3月6日，帝人汽车复合材料专业集团开发出了一种多材料复合材料汽车门概念，这款多材料侧门模块由碳纤片状模塑料（SMC）、玻璃纤 维SMC 和单向玻璃纤维增强塑料（GFRP）制成，具有高强度、低重量、优异的耐热性和减震性、卓越的设计自由度以及能够实现深拉伸等优点。帝人计划于2025 年推出商用门模块，争取成为多材料汽车零部件的全球供应商。

 

 

东丽公司成功研发出新型航空用碳纤维增强塑料（CFRP）预浸料和高端汽车和赛车用新型预浸树脂系统“东丽TC346”。其中，新型CFRP预浸料适用于真空成型技术，与传统预浸料使用热压罐成型技术相比，能够显著降低制造成本。“东丽TC346”具有优异的机械性能和表面光泽度，是目前性能最高的产品，可以制成各种重量和纤维的单向胶带或织物，广泛应用于赛车变速箱、悬架、机翼和防撞结构。

 

 

2019年10月9日，日本大成建设（Taisei）开发了一种超轻型碳纤维复合材料（CFRP）结构部件—T- CFRP 梁。该T-CFRP 梁重量仅为钢架的1/5，并且可以根据建筑物的应用自由设计构件的刚度、强度和形状。这项技术的开发将应对不断增长的建筑用轻量化构件的需求。

 

 

日本汽车制造商协会于2019年下半年开始有关如何回收燃料电池汽车中使用的碳纤维增强塑料的基础研究，这项研究旨在通过探索阻燃碳纤维的燃烧机理，为将来报废汽车做准备。2019年9月24日，日本经济产业省与法国政府、欧洲空客发布了关于飞机碳纤维再利用等环保领域的合作战略。日本经济产业省将在碳纤维企业及相关学校的协助下，共同构建碳纤维回收并以低成本再利用的生产机制。

 

 

 

2019年4月7日，英国利物浦公司（Briggs Au- tomotive Company，BAC）正式推出“Mono R”跑车。“Mono R”是世界上第一款在每个车身面板中都完全采用石墨烯增强碳纤维的量产车，石墨烯增强了纤维的结构特性，使面板更坚固、更轻，具有更好的机械和热性能，也使得“Mono R”具有更高性能。

 

 

2019年11月，法国科纺勒集团（Chomarat）为瑞典古斯塔夫斯堡（Arcona Yachts）的巡洋舰435型号和465 型号开发了碳纤维增强材料。Cho-marat 为了在浇灌过程中获得更好的渗透性，深入研究了高性能C-PLYTM 的最佳结构，开发出的高性能C-PLYTM 碳纤维非卷曲织物（NCF），使其具有更高的机械性能和与多种树脂的相容性，而且可以实现更优的成本效益。Chomarat 用于巡洋舰的船体和甲板的灌注技术将高达70%的碳纤维掺入层压板中，可带来结构设计优势、优质的表面质量及整体零件成本的缩减。

 

 

2019年，德国西格里（SGL ）为寻求更多的业务发展方式，扩大碳纤维复合材料在更多领域中的作用。2019年4月30日，SGL与上海蔚来汽车有限公司（NIO）合作，共同研制电动汽车碳纤维增强型塑料电池外壳原型，该电池外壳比传统铝或钢制电池外壳轻40%，具有高刚性且比铝的热导率低200倍，能够更好地保护电池本体不受外界冷热的影响。除此以外，复合材料还赋予电池外壳优异的气密性、防水性和耐腐蚀性。

 

 

慕尼黑工业大学（TUM）团队与SGL的专家合作开发了一种超回路列车（Hyperloop）胶囊舱的优化模型，该模型使用了SGL 的预浸碳纤维编织材料，通过设计和材料优化，胶囊舱结构重约5.6kg，与6.1kg的前一型号相比轻了约10%。此外，不同于以前的塑料解决方案，此次运输舱的外壳衬板也完全由碳纤维材料制成，将其重量从1.5kg减少到仅0.7kg。该模型在2019年7月21 日举办的第四届超回路列车（Hyperloop）竞赛中，以463 km/h的速度为其研发团队获得冠军。

 

 

2019年12月4日，英国ELG Carbon Fibre公司为助力英力士队参战美洲杯帆船赛，利用制造比赛船只时产生的废料，将其再加工成非织造碳纤维毡，进一步用来制成了两个固定船身的运输托架，这种回收材料性能良好，可直接用于现有工艺， 充分表明碳纤维复合材料可以进行回收再利用，减轻环境负担。

 

 

2019年12月10日，ELG 和英国哈德斯菲尔德大学铁路研究所（University of Hud- dlersfield’s Institute for Railway Research）联合研究并发布了世界首个碳纤维复合轨道转向架，称为“CAFIBO”。该新型转向架完全由剩余和回收的碳纤维材料制成，比常规转向架轻，并具有更优异的垂直和横向刚度。在铁路车辆中使用这种新型转向架可以减少轨道磨损、降低基础设施维护成本、提高可靠性和运营可用性以及节约能源，减缓全球变暖。

 

 

俄罗斯的Anisoprint公司于2019年6月推出了一种用于连续纤维3D打印技术的新型玄武岩纤维复合材料（CBF），用这种材料打印的零件，强度是塑料的30 倍、铝的2倍，比重也更轻。德国Lipex Engineering GmbH公司在俄罗斯投资5000万欧元，开始建立玄武岩纤维生产线，以满足玄武岩纤维快速增长的市场需求。

 

 

2019年5月2日，德国西格里公司（SGL）与英国国家复合材料中心（National Composite Center, NCC）达成合作协议，双方将针对航空、交通运输和油气等领域的市场需求，共同开发下一代复合材料生产技术，提升一级和二级结构件中复合材料的使用率。目前，双方已经利用NCC位于英国布里斯托的实验设备开展碳纤维织物（包括无卷曲布等）先进加工工艺的项目研发，下一步将利用SGL 集团所提供的碳纤维无卷曲布生产出复合材料机翼样件。

 

 

2019年12月3日，SGL与Solvay达成一项联合开发协议。该协议计划将基于大丝束中模量（IM）碳纤维的首个用于商业航空的复合材料推向市场，这些材料将基于SGL的IM 碳纤维和Solvay的主结构件树脂系统，帮助满足降低成本和二氧化碳排放量的需求， 并改善下一代商用飞机的生产工艺和燃油效率。

 

 

2019年12月13日，德国拜罗伊特大学高分子化学和聚合物研究所Greiner团队在《Science》发表了《High strength in combination with high toughness in robust andsustainable poly- meric materials》的研究文章，通过改进分子交联， 克服了人造纤维材料强度和韧性的冲突，制造出多纤维 PAN 纱线，韧性高达（137±21）J/g、拉伸强度为（1236±40）MPa。

 

 

2019年10月29日，由中复神鹰牵头，东华大学和江苏新鹰游机械有限公司共同承担的“QZ6026（T1000 级）超高强度碳纤维百吨级工程化关键技术”顺利通过了技术鉴定，率先在国内实现了干喷湿纺T1000级超高强度碳纤维工程化，将来可以为更多的国产先进武器和设备提供高性能纤维材料。

 

 

2019年12月13日，世界上首条全线路采用碳纤维复合芯导线的特高压工程在内蒙古正式并网投运，该工程线路全长14.6km，全部采用中国自主研制的碳纤维复合芯导线，与传统的钢芯导线相比，碳纤维复合芯导线具有重量轻、强度高、安全性好、导体导电率高、传输损失小等优点。该线路的投运不仅可以节约能源，降低运行成本还可以每年增加132万kW/h 的输送电量，以缓解用电紧张问题。

 

 

在汽车领域，2019年3月20日，中国首辆采用氢能碳纤维车身的乘用车在“中国光谷”研制成功，该车搭载全球领先技术的氢燃料电堆，续航里程可达1000km以上，全身采用碳纤维材料，使车身结构更轻更强韧、汽车更加轻量化。该车预计于2020年在中国一线城市推广。

 

 

2019年12月6日，威海光威复合材料股份有限公司向航空工业直升机设计研究所交付了首架AV500B/C无人机，该无人机的蒙皮（蜂窝和泡沫夹层结构件）、整体油箱承力结构、尾梁整体结构和层压件、封闭腔型结构件等零件，采用了大量由光威复材自主研制的碳纤维复合材料，极大地提高了无人机巡航能力和机动灵活性。该系列无人机主要应用于军用市场，也可通过改装用于其他民用领域，具有巨大的市场潜力。

 

 

在PAN基碳纤维的结构与性能相关性研究方面，科研人员发现对于模量大于 350GPa的PAN 基碳纤维，石墨化程度的提高对模量的提高关系不大，而主要来源于碳纤维中石墨晶体中的石墨片层的规则排列和石墨晶体的尺寸增长以及石墨晶体取向度的增大；对于PAN 基碳纤维的强度而言，石墨晶体之间相互纠缠和石墨片层之间的缺点则可以有效使碳纤维在牵伸过程中应力的分散，从而提高碳纤维的强度。此外，碳纤维中的任何缺陷结构，包括微孔、皮芯结构等均导致碳纤维性能降低，理想的PAN基碳纤维结构应均匀，尽量减少皮芯结构等缺陷。

 

 

2019年3月29日，四川省玻纤集团有限公司联合四川大学、西南科技大学共同研发出了连续玄武岩纤维单元池窑生产技术，投产运营了中国具有完全自主知识产权的第一条年产8000t 连续玄武岩纤维池窑拉丝中试生产线。该生产线已经成功生产出9~17 μm多个规格的连续玄武岩纤维，相比传统坩埚法工艺降低了20%以上的生产成本，为国内连续玄武岩纤维的发展奠定了技术基础。

 

 

2019年11月23日，由内蒙古石墨烯材料研究院与清华大学共同研发的国产化对位芳纶，经过3个多月的调试运行，顺利建成了年产100t 的对位芳纶生产线，成功打破了国外对芳纶技术垄断，加速推进了国内对位芳纶的产业化进程。

 

 

但是传统芳纶纳米纤维（aramid nanofibers，ANFs）制备方法存在周期长（7 d）、反应浓度低（0.2%）、反应效率低等问题，严重困扰着ANFs 规模化应用与发展。陕西科技大学张美云团队为解决这一问题，利用原纤化/超声/质子供体耦合去质子化法制备ANFs，使得ANFs 制备周期从传统的7d缩短至 4h，制备的ANFs 具有小的直径及尺度分布（10.7±1.0）nm，同时也探究了高浓度ANFs的制备，在12h内即可制得4.0%的高浓ANFs，成膜具有优异的机械性能与热稳定性，本研究提出的ANFs高效制备方法工艺简单、性能优异，有望进一步推动其规模化生产与产业化应用。