我國突破日本管制封鎖研製出高性能碳纖維

(2016-02-16 10:26:46)我國突破日本管制封鎖研製出高性能碳纖維

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，在國防軍工和民用方面都是重要材料，被喻為「黑色黃金」。

不過一直以來，我國高性能碳纖維都依賴進口，日本的碳纖維產量更是佔全球市場份額的60％，現在這一局面終於被打破了。

據科技日報報道，哈爾濱天順化工科技開發有限公司承擔的黑龍江省科技攻關重大項目「T700級碳纖維碳化中試生產線及工藝研究」，通過了黑龍江省科技廳組織的專家鑒定。專家表示，此次研發的具有完全自主知識產權的碳纖維生產工藝及裝備技術達到國際先進水平，其產品可替代進口。

報道稱，項目經過5年艱苦攻關，目前實現質量穩定，生產成本低，環境污染小，生產中廢水排放少，生產成本可控制在每公斤200元以內，接近國際先進企業的生產成本，是國內現今成本的1/10。

同時，我國首個國家級碳纖維及其複合材料產業基地於2015年在威海設立，今後將加速實現自力更生的先進替代之路。

我高性能碳纖維產品有望替代進口碳纖維是新材料界的寵兒，有「黑色黃金」之稱，多年來我國高性能碳纖維依賴進口。如今，這一局面被黑龍江省碳纖維複合材料龍頭企業、哈爾濱天順化工科技開發有限公司打破。日前，由該公司承擔的黑龍江省科技攻關重大項目「T700級碳纖維碳化中試生產線及工藝研究」，通過了黑龍江省科技廳組織的專家鑒定。

由我國複合材料學會理事長杜善義院士為主任委員的鑒定委員會認為，天順公司以自主研製生產的碳纖維原絲為原料，經過工藝優化，所研發的具有完全自主知識產權的碳纖維生產工藝及裝備技術達到國際先進水平，其產品可替代進口。

專家表示，碳纖維的強度是鋁合金的10倍，而密度僅為其一半，在國防、航空航天、海洋工程、節能汽車等領域有著大量需求。但生產碳纖維需要經過30道工序，哪一道工序差了分毫都達不到使用要求。

該項目經過5年艱苦卓絕的創新攻關，終於突破高性能碳纖維生產的關鍵技術。據該公司總經理孟凡鈞介紹，該項目採用獨特的紡絲工藝、DMSO溶劑回收技術、精密的碳化生產技術及先進的廢水處理技術，質量穩定，生產成本低，環境污染小，生產中廢水排放少，生產成本可控制在每公斤200元以內，接近國際先進企業的生產成本，而當前國內成本大多在每公斤1000元—3000元不等。解決了國產高性能碳纖維生產成本高、質量不穩定這兩個關鍵瓶頸問題，提高了我國碳纖維的國際競爭力。

中國戰鬥機大規模使用的複合材料已經是公認的事實，而且中國的轟-6K，運-20上面的複合材料的比例更高，一進達到了30%，殲-20的複合材料也達到了23%左右，可以說在改善機體結構，降低結構重量，提高隱身能力等多個方面有著自己特有的貢獻。而這些複合材料多數都是碳纖和樹脂、金屬、陶瓷等複合製成的結構材料。碳纖維增強材料是複合材料領域的一個標誌性產品，使得複合材料得以邁向高可用性和高強度方面大大的邁進了一步。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。這是發展國防軍工以及國民經濟的重要戰略物資，屬於技術高速密集型的關鍵核心材料。航空、航天、汽車、電子等等多個領域都使用了高性能碳纖維材料。碳纖維質量比金屬鋁還要輕，但是強度卻比鋼鐵還要強，還耐腐蝕方便成型。所以一經推出，尤其是在航空航天製造領域取得了自己的一席之地。

日本前一陣子自吹自擂的心神戰機就號稱使用了碳纖維蒙皮。日媒吹噓它為碳纖維戰機-世界第一款碳纖維複合材料製成的戰鬥機。F-35肯定坐不住，F-35本身製造上就大量使用了這種高強度纖維材料。尤其是在蒙皮和機翼結構和機體結構部件上，大量創造性的使用了碳纖維複合材料。它所用的碳纖維複合材料已佔全機總重量的1/4，占機翼重量的1/3。可以說F-35減重上，碳纖維的功勞首屈一指。就是建造較早的F-22實際使用碳纖維比例也高達20%，這不得不說誰掌握了高強度的碳纖維加工技術，誰就等於掌握了四代機結構核心。而且碳纖維除了可以應用在航空航天，國防軍事等領域外，還可以在汽車的構件，風力發電機葉片，建築加固材料，鑽井平台，壓力容器等多個民用領域發大用途，可以確保我們在新能源和新材料領域獲得世界領先地位。

所以碳纖維又被人稱為「黑色黃金「，碳纖維按照性能也進行等級劃分：T300、T700、T800，牌號越高，強度越高，當然製造加工難度更大。曾幾何時，碳纖維被日本列為國家禁止出口五大技術產業之一，美國為首的巴黎統籌委員會也把碳纖維出口列為禁運項目，在這樣惡略的條件下中國開始了自己碳纖維攻關歷程。

經過20多年的努力，中國自行研製的碳纖維複合材料剎車預製件性能達到國際水平。採用這一預製件技術所製備的的國產碳和碳剎車盤已批量裝備於國防重點型號-運-20，並在波音B757型民航飛機上使用，在其它機型上的使用也在實驗考核中，並將向坦克、高速列車、高級轎車、賽車等推廣使用。而且中國在高標號的T700，T800碳纖維領域也取得了突破！

黑龍江省科技攻關重大項目「T700級碳纖維碳化中試生產線及工藝研究」，通過了黑龍江省科技廳組織的專家鑒定。一舉打破了歐洲、美國、日本在這一領域對我們的技術禁運。

這樣一則新聞這讓曾經對中國封鎖碳纖維技術的各國感到如臨大敵，因為他們都知道，只要中國掌握的技術，隨時都可以白菜化，傾銷到國際市場上，他們就是國際規則的改寫者和新國際秩序的制定者，這讓這些曾經碳纖維生產大國們如臨大敵！這也正是中國殲-20戰鬥機，運-20運輸機高速生產的秘訣之一，中國這頭龍不是不醒，醒來就是讓任何人也不能阻擋！

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碳纖維在汽車行業上的應用

聊起碳纖維，可謂是近幾年汽車領域非常熱門的話題，除了當初F1碳纖維單體殼和那些超級跑車應用到碳纖維外，如今眾多豪華轎車都應用到了碳纖維材料。拋開碳纖維發動機蓋、碳纖維後視鏡不說，甚至連承載式車身的汽車車體都應用到了碳纖維材料，那碳纖維到底是怎樣一件「神器」讓眾多汽車廠商如此痴迷？讓改裝粉這般熱愛？更又是何種成分組成？今天我們就帶著種種問號一同了解一下碳纖維材料。

何為碳纖維？

碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，是化纖產品中的高端產品。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。其具有密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，熱膨脹係數小且具有各向異性，耐腐蝕性好等。

汽車上應用的是碳纖維嗎？

含碳量在 90％以上的高強度高模量纖維，含碳量在99％以上的稱為石墨纖維均稱為碳纖維。碳纖維具有元素碳的各種優良性能，如比重小、耐熱性極好、熱膨脹係數小、導熱係數大、耐腐蝕性和導電性良好等。同時，它又具有纖維般的柔曲性，可進行編織加工和纏繞成型。碳纖維最優良的性能是比強度和比模量超過一般的增強纖維，但是它需要和樹脂形成複合材料才可以比強度和比模量比鋼和鋁合金還高3倍左右，也正是汽車上所使用的材料。因此我們稱之為汽車上使用的是碳纖維的說法並不嚴謹，只能說是我們對它的簡稱，正確應該稱之為碳纖維複合材料。

為何稱之為碳纖維複合材料？

從上文我們可以得知，汽車上應用的並不是純碳纖維元素，是由作為增強材料的碳纖維和作為基體材料的樹脂組成。而一般複合材料的性能是優於其組分材料性能的，並且產生了一些原有組分材料所沒有的性能，我們稱這種材料為碳纖維複合材料（CFRP）。

碳纖維複合材料的纖維布置方式？

根據碳纖維交織布的排布不同，在碳纖維結構里有可以分為平紋、斜紋、緞紋三種形式。因為當樹脂、明膠、碳纖維等成為組合後，碳纖維布的纖維絲會被固話，這種情況下碳纖維之間很容易出現斷裂。因為，為了解決此問題碳纖維複合材料的纖維布置方式都是以經緯相交的方式進行編織。

碳纖維複合材料有何優點？

在汽車上應用的碳纖維複合材料擁有密度低、剛度強對車身輕量化有著明顯的作用。與此同時碳纖維複合材料可以根據不同的用途需求，靈活的進行產品設計，不如鋼材車身大都使用的是衝壓工藝，其外形和結構上就會有一定的局限性，而採用碳纖維複合材料便可以解決這個問題。

碳纖維車身有何缺點？

剛剛聊了半天碳纖維複合材料的好處，那碳纖維複合材料單體殼是不是就沒有一點缺點呢？並不是。其可塑性差，比如車殼使用了碳纖維複合材料，一旦發生碰撞則無法修復，並且其可回收性大大次於鋼鐵等材料，最為重要的是雖說碳纖維有著壽命長的優點，但其基體樹脂的耐久性要弱於金屬，時間久了就會發生髮脆，變色等現象。

改裝碳纖維套件的成本貴在哪裡？

碳纖維複合材料雖然原料複雜，工序繁瑣但是其主要成本不僅僅在於其原料成本。首先改裝碳纖維套件需要模具，無論你是改裝碳纖維發動機蓋還是碳纖維包圍，這些零件必須要與原廠車輛組成精密的組合，讓他們可與原車相結合到一塊。而使得改裝件和原車可融合到一塊的最簡單方法便是模具式生產，因為人們手工的製作工藝畢竟不如模具化設計精密，而且勞動成本也是一不小的開資，所以說模具化生產是必不可少的。但開一套模具（陽模、陰模）需要的費用並不是一筆小的數目這是改裝碳纖維配件昂貴的原因之一，其次抽真空設備、加溫高壓設備、還有許多的輔助材料等也為它增加了製造成本，再加上繁瑣的加工工序，和複雜材料的應用，導致成本的增加，所以碳纖維改裝套件並不廉價。

在如今汽車追求輕量化的時代，使用碳纖維材質是最有效的方式之一，但在這條路上並不是一帆風順，毫無壓力。低成本碳纖維複合材料近期難以實現，並且在碳纖維複合材料的基礎研究以及成型技術上還需有很大的提高，才能確保真正的讓碳纖維走進每輛汽車。