在徐堅教授的帶領下，材料委天津院前沿材料團隊及中科院化學所對2019 年全球范圍內高性能纖維復合材料在新產品、新工藝以及新市場等方面取得的科技進展進行了回顧。

 

作者簡介：

 

徐堅，深圳大學特聘教授，國家新材料產業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢委員會常務副主任

 

聶銘歧、王熙大、季俊娜、王亞會、李林潔，材料委天津院前沿材料團隊行業(yè)分析師

 

朱才鎮(zhèn)，深圳大學特聘研究員

 

劉瑞剛，中國科學院化學研究所研究員

 

 

美國科技進展

 

 

 2019年9月，美國陸軍研究實驗室表示正在通過將超高分子量聚乙烯與氧化硅納米粒子結合的一種新技術制備用于防彈衣的新材料，這種新材料具有更高的強度，是吸收子彈和其它彈殼撞擊的理想材料。2019年11月，美國官員表示，目前美國特種部隊正在對一款輕型戰(zhàn)斗裝甲進行測試，它是之前“戰(zhàn)術突擊輕型行動服（TALOS）”的項目成果之一，這款輕型裝甲是一種“輕型聚乙烯肢體防護裝甲”，既強固又輕巧，比現(xiàn)行的標準防護裝備輕了25%，這款新型的戰(zhàn)斗裝甲與現(xiàn)役的標準步兵防彈服（身體覆蓋率19%）相比，身體覆蓋率達到44%以上，能有效保護士兵的肩膀、體前側、前臂和跨部。

 

 

2019年3月15日，美國空軍研究實驗室（AFRL）與阿肯色大學、邁阿密大學合作開發(fā)出3D碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料，研制出一種定制化直接噴墨3D打印設備，可用于加工航空航天領域的短纖維環(huán)氧樹脂復合材料結構件，這種材料的開發(fā)為下一代多功能無人飛行器結構零件的制造提供了技術支持。

 

 

在汽車領域，美國通用汽車公司于2019年宣布開始在通用Sierra皮卡“GMC Sierra Denali 1500”和“GMC Sierra AT4 1500”中使用碳纖維車廂，該皮卡車廂（CarbonPro）由通用公司與帝人聯(lián)合開發(fā)，是世界上首次將碳纖維增強熱塑性塑料用于大批量生產的汽車結構部件，這款“CarbonPro”與其他皮卡車廂相比，重量減少了約25%，且具有一流的抗凹痕、耐刮擦和耐腐蝕性。

 

 

2019年6 月，美國萊斯大學的Ajayan團隊研發(fā)了一種高介電、高導熱以及耐高溫芳香聚酰胺纖維增強的層狀復合材料。該材料介電常數(shù)最高可達6.3，導熱系數(shù)最高可達2.4 W·m﹣1·K﹣1，擊穿強度可高達292MV ·m﹣1，楊氏模量達到 11GPa，有望應用于高溫儲能器件中。

 

 

2019年1月，佐治亞理工學院的Kumar 團隊采用聚丙烯腈（PAN）纖維為原料，成功制備了質量分數(shù)超過40%的納米微晶纖維素（CNC）碳纖維。PAN/CNC 基碳纖維的拉伸強度在1.8~2.3 GPa 范圍內，拉伸模量在220~265 GPa范圍內。

 

 

6.東麗公司研制出世上首個具有納米級連續(xù)孔結構的多孔碳纖維

 

2019年11月18日，東麗公司通過自身的聚合物技術和纖維技術，研制出世界上第一種具有納米級連續(xù)孔結構的多孔碳纖維，并且可以利用自身的技術確?？紫兜木鶆蚍植家约岸ㄖ贫嗫捉Y構的固定尺寸，這種纖維材料結構緊密且質輕，具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和透氣性，可以用來制作先進膜材料的支撐層，實現(xiàn)更具有環(huán)境友好性的天然氣和沼氣凈化、溫室氣體分離以及安全制氫。

 

 

2019 年3月4 日，帝人公司宣布研發(fā)出了一種新型碳纖維增強雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）預浸料，這種預浸料具 有高達280℃的玻璃化轉變溫度，以及較高的沖擊后抗壓強度和較小的線性熱膨脹系數(shù)，是日本首個兼具高耐熱性和高耐沖擊性的BMI 預浸料，為航空航天發(fā)動機零部件的生產提供了新的思路。

 

 

2019年3月6日，帝人汽車復合材料專業(yè)集團開發(fā)出了一種多材料復合材料汽車門概念，這款多材料側門模塊由碳纖片狀模塑料（SMC）、玻璃纖 維SMC 和單向玻璃纖維增強塑料（GFRP）制成，具有高強度、低重量、優(yōu)異的耐熱性和減震性、卓越的設計自由度以及能夠實現(xiàn)深拉伸等優(yōu)點。帝人計劃于2025 年推出商用門模塊，爭取成為多材料汽車零部件的全球供應商。

 

 

東麗公司成功研發(fā)出新型航空用碳纖維增強塑料（CFRP）預浸料和高端汽車和賽車用新型預浸樹脂系統(tǒng)“東麗TC346”。其中，新型CFRP預浸料適用于真空成型技術，與傳統(tǒng)預浸料使用熱壓罐成型技術相比，能夠顯著降低制造成本。“東麗TC346”具有優(yōu)異的機械性能和表面光澤度，是目前性能最高的產品，可以制成各種重量和纖維的單向膠帶或織物，廣泛應用于賽車變速箱、懸架、機翼和防撞結構。

 

 

2019年10月9日，日本大成建設（Taisei）開發(fā)了一種超輕型碳纖維復合材料（CFRP）結構部件—T- CFRP 梁。該T-CFRP 梁重量僅為鋼架的1/5，并且可以根據(jù)建筑物的應用自由設計構件的剛度、強度和形狀。這項技術的開發(fā)將應對不斷增長的建筑用輕量化構件的需求。

 

 

日本汽車制造商協(xié)會于2019年下半年開始有關如何回收燃料電池汽車中使用的碳纖維增強塑料的基礎研究，這項研究旨在通過探索阻燃碳纖維的燃燒機理，為將來報廢汽車做準備。2019年9月24日，日本經濟產業(yè)省與法國政府、歐洲空客發(fā)布了關于飛機碳纖維再利用等環(huán)保領域的合作戰(zhàn)略。日本經濟產業(yè)省將在碳纖維企業(yè)及相關學校的協(xié)助下，共同構建碳纖維回收并以低成本再利用的生產機制。

 

 

 

2019年4月7日，英國利物浦公司（Briggs Au- tomotive Company，BAC）正式推出“Mono R”跑車。“Mono R”是世界上第一款在每個車身面板中都完全采用石墨烯增強碳纖維的量產車，石墨烯增強了纖維的結構特性，使面板更堅固、更輕，具有更好的機械和熱性能，也使得“Mono R”具有更高性能。

 

 

2019年11月，法國科紡勒集團（Chomarat）為瑞典古斯塔夫斯堡（Arcona Yachts）的巡洋艦435型號和465 型號開發(fā)了碳纖維增強材料。Cho-marat 為了在澆灌過程中獲得更好的滲透性，深入研究了高性能C-PLYTM 的最佳結構，開發(fā)出的高性能C-PLYTM 碳纖維非卷曲織物（NCF），使其具有更高的機械性能和與多種樹脂的相容性，而且可以實現(xiàn)更優(yōu)的成本效益。Chomarat 用于巡洋艦的船體和甲板的灌注技術將高達70%的碳纖維摻入層壓板中，可帶來結構設計優(yōu)勢、優(yōu)質的表面質量及整體零件成本的縮減。

 

 

2019年，德國西格里（SGL ）為尋求更多的業(yè)務發(fā)展方式，擴大碳纖維復合材料在更多領域中的作用。2019年4月30日，SGL與上海蔚來汽車有限公司（NIO）合作，共同研制電動汽車碳纖維增強型塑料電池外殼原型，該電池外殼比傳統(tǒng)鋁或鋼制電池外殼輕40%，具有高剛性且比鋁的熱導率低200倍，能夠更好地保護電池本體不受外界冷熱的影響。除此以外，復合材料還賦予電池外殼優(yōu)異的氣密性、防水性和耐腐蝕性。

 

 

慕尼黑工業(yè)大學（TUM）團隊與SGL的專家合作開發(fā)了一種超回路列車（Hyperloop）膠囊艙的優(yōu)化模型，該模型使用了SGL 的預浸碳纖維編織材料，通過設計和材料優(yōu)化，膠囊艙結構重約5.6kg，與6.1kg的前一型號相比輕了約10%。此外，不同于以前的塑料解決方案，此次運輸艙的外殼襯板也完全由碳纖維材料制成，將其重量從1.5kg減少到僅0.7kg。該模型在2019年7月21 日舉辦的第四屆超回路列車（Hyperloop）競賽中，以463 km/h的速度為其研發(fā)團隊獲得冠軍。

 

 

2019年12月4日，英國ELG Carbon Fibre公司為助力英力士隊參戰(zhàn)美洲杯帆船賽，利用制造比賽船只時產生的廢料，將其再加工成非織造碳纖維氈，進一步用來制成了兩個固定船身的運輸托架，這種回收材料性能良好，可直接用于現(xiàn)有工藝， 充分表明碳纖維復合材料可以進行回收再利用，減輕環(huán)境負擔。

 

 

2019年12月10日，ELG 和英國哈德斯菲爾德大學鐵路研究所（University of Hud- dlersfield’s Institute for Railway Research）聯(lián)合研究并發(fā)布了世界首個碳纖維復合軌道轉向架，稱為“CAFIBO”。該新型轉向架完全由剩余和回收的碳纖維材料制成，比常規(guī)轉向架輕，并具有更優(yōu)異的垂直和橫向剛度。在鐵路車輛中使用這種新型轉向架可以減少軌道磨損、降低基礎設施維護成本、提高可靠性和運營可用性以及節(jié)約能源，減緩全球變暖。

 

 

俄羅斯的Anisoprint公司于2019年6月推出了一種用于連續(xù)纖維3D打印技術的新型玄武巖纖維復合材料（CBF），用這種材料打印的零件，強度是塑料的30 倍、鋁的2倍，比重也更輕。德國Lipex Engineering GmbH公司在俄羅斯投資5000萬歐元，開始建立玄武巖纖維生產線，以滿足玄武巖纖維快速增長的市場需求。

 

 

2019年5月2日，德國西格里公司（SGL）與英國國家復合材料中心（National Composite Center, NCC）達成合作協(xié)議，雙方將針對航空、交通運輸和油氣等領域的市場需求，共同開發(fā)下一代復合材料生產技術，提升一級和二級結構件中復合材料的使用率。目前，雙方已經利用NCC位于英國布里斯托的實驗設備開展碳纖維織物（包括無卷曲布等）先進加工工藝的項目研發(fā)，下一步將利用SGL 集團所提供的碳纖維無卷曲布生產出復合材料機翼樣件。

 

 

2019年12月3日，SGL與Solvay達成一項聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。該協(xié)議計劃將基于大絲束中模量（IM）碳纖維的首個用于商業(yè)航空的復合材料推向市場，這些材料將基于SGL的IM 碳纖維和Solvay的主結構件樹脂系統(tǒng)，幫助滿足降低成本和二氧化碳排放量的需求， 并改善下一代商用飛機的生產工藝和燃油效率。

 

 

2019年12月13日，德國拜羅伊特大學高分子化學和聚合物研究所Greiner團隊在《Science》發(fā)表了《High strength in combination with high toughness in robust andsustainable poly- meric materials》的研究文章，通過改進分子交聯(lián)， 克服了人造纖維材料強度和韌性的沖突，制造出多纖維 PAN 紗線，韌性高達（137±21）J/g、拉伸強度為（1236±40）MPa。

 

 

2019年10月29日，由中復神鷹牽頭，東華大學和江蘇新鷹游機械有限公司共同承擔的“QZ6026（T1000 級）超高強度碳纖維百噸級工程化關鍵技術”順利通過了技術鑒定，率先在國內實現(xiàn)了干噴濕紡T1000級超高強度碳纖維工程化，將來可以為更多的國產先進武器和設備提供高性能纖維材料。

 

 

2019年12月13日，世界上首條全線路采用碳纖維復合芯導線的特高壓工程在內蒙古正式并網(wǎng)投運，該工程線路全長14.6km，全部采用中國自主研制的碳纖維復合芯導線，與傳統(tǒng)的鋼芯導線相比，碳纖維復合芯導線具有重量輕、強度高、安全性好、導體導電率高、傳輸損失小等優(yōu)點。該線路的投運不僅可以節(jié)約能源，降低運行成本還可以每年增加132萬kW/h 的輸送電量，以緩解用電緊張問題。

 

 

在汽車領域，2019年3月20日，中國首輛采用氫能碳纖維車身的乘用車在“中國光谷”研制成功，該車搭載全球領先技術的氫燃料電堆，續(xù)航里程可達1000km以上，全身采用碳纖維材料，使車身結構更輕更強韌、汽車更加輕量化。該車預計于2020年在中國一線城市推廣。

 

 

2019年12月6日，威海光威復合材料股份有限公司向航空工業(yè)直升機設計研究所交付了首架AV500B/C無人機，該無人機的蒙皮（蜂窩和泡沫夾層結構件）、整體油箱承力結構、尾梁整體結構和層壓件、封閉腔型結構件等零件，采用了大量由光威復材自主研制的碳纖維復合材料，極大地提高了無人機巡航能力和機動靈活性。該系列無人機主要應用于軍用市場，也可通過改裝用于其他民用領域，具有巨大的市場潛力。

 

 

在PAN基碳纖維的結構與性能相關性研究方面，科研人員發(fā)現(xiàn)對于模量大于 350GPa的PAN 基碳纖維，石墨化程度的提高對模量的提高關系不大，而主要來源于碳纖維中石墨晶體中的石墨片層的規(guī)則排列和石墨晶體的尺寸增長以及石墨晶體取向度的增大；對于PAN 基碳纖維的強度而言，石墨晶體之間相互糾纏和石墨片層之間的缺點則可以有效使碳纖維在牽伸過程中應力的分散，從而提高碳纖維的強度。此外，碳纖維中的任何缺陷結構，包括微孔、皮芯結構等均導致碳纖維性能降低，理想的PAN基碳纖維結構應均勻，盡量減少皮芯結構等缺陷。

 

 

2019年3月29日，四川省玻纖集團有限公司聯(lián)合四川大學、西南科技大學共同研發(fā)出了連續(xù)玄武巖纖維單元池窯生產技術，投產運營了中國具有完全自主知識產權的第一條年產8000t 連續(xù)玄武巖纖維池窯拉絲中試生產線。該生產線已經成功生產出9~17 μm多個規(guī)格的連續(xù)玄武巖纖維，相比傳統(tǒng)坩堝法工藝降低了20%以上的生產成本，為國內連續(xù)玄武巖纖維的發(fā)展奠定了技術基礎。

 

 

2019年11月23日，由內蒙古石墨烯材料研究院與清華大學共同研發(fā)的國產化對位芳綸，經過3個多月的調試運行，順利建成了年產100t 的對位芳綸生產線，成功打破了國外對芳綸技術壟斷，加速推進了國內對位芳綸的產業(yè)化進程。

 

 

但是傳統(tǒng)芳綸納米纖維（aramid nanofibers，ANFs）制備方法存在周期長（7 d）、反應濃度低（0.2%）、反應效率低等問題，嚴重困擾著ANFs 規(guī)?；瘧门c發(fā)展。陜西科技大學張美云團隊為解決這一問題，利用原纖化/超聲/質子供體耦合去質子化法制備ANFs，使得ANFs 制備周期從傳統(tǒng)的7d縮短至 4h，制備的ANFs 具有小的直徑及尺度分布（10.7±1.0）nm，同時也探究了高濃度ANFs的制備，在12h內即可制得4.0%的高濃ANFs，成膜具有優(yōu)異的機械性能與熱穩(wěn)定性，本研究提出的ANFs高效制備方法工藝簡單、性能優(yōu)異，有望進一步推動其規(guī)?；a與產業(yè)化應用。