摘 要
為了應對歐洲衛(wèi)星子系統(tǒng)所需的高模量/超高模量碳纖維均為非歐洲公司生產的現(xiàn)狀，同時提升歐洲本土公司太空用高模量/超高模量碳纖維及其預浸料技術和產品水平，歐洲啟動了“歐洲空間技術用合格碳纖維和預浸料(European Space Qualified Carbon Fibres and Pre-Impregnated based Materials，簡寫EUCARBON )”項目。
通過本項目實施，目前歐洲本土公司西格里碳素收購的Fisipe公司初步具備了高模量級碳纖維（拉伸模量348GPa，拉伸強度4300MPa）的生產能力，開發(fā)出該款高模量碳纖維預浸料產品，并成功設計并制造了太空結構件，F(xiàn)isipe公司下一步將開展超高模量碳纖維用6k原絲的攻關。
1、EUCARBON項目背景及組織形式
1.1 項目研究背景
目前歐洲衛(wèi)星及其子系統(tǒng)應用的高模量和超高模量碳纖維及其相關預浸料均是由日本東麗、日本東邦、美國赫氏等非歐洲公司提供（圖1），由于PAN基高模量/超高模量碳纖維及其預浸料是空間研究中技術創(chuàng)新的基礎，因此其核心技術已成為影響歐洲空間技術發(fā)展和應用的關鍵技術。
圖1 歐洲本土代表公司西格里產品以工業(yè)用大絲束碳纖維為主，不具備太空級碳纖維及其預浸料供應資格
鑒于滿足航空航天標準的碳纖維要么在歐洲以外國家生產，要么在外國的監(jiān)督下在歐洲分公司生產，因此，極大削弱了歐洲在空間技術方面的競爭力，同時也涉及到交貨周期和不可預知的成本增加等因素，歐洲希望為了能夠自由、不受限制地獲得這些材料，為此啟動了“歐洲空間技術用合格碳纖維和預浸料(European Space Qualified Carbon Fibres and Pre-Impregnated based Materials，簡寫EUCARBON )”項目。
本項目由歐盟委員會資助，項目起止時間分別為2011年12月-2015年11月，項目總經費3.19億歐元，其中歐盟財政撥款1.99億歐元。
1.2 項目研究目標
該項目主要目的是在歐洲建立一個PAN基高模量/超高模量碳纖維生產基地，來生產空間技術用碳纖維，并開發(fā)有關預浸料制備的專門技術；在該項目中也進一步探討了以碳納米管改性樹脂為基礎，制備新型預浸料的方法，為高性能預浸料的制備提供良好的導熱和導電性能。
本項目的主要目標包括：
1、在歐洲本土公司開發(fā)用于人造衛(wèi)星組件等性能要求高模量/超高模量碳纖維；
2、短期內目標為開發(fā)拉伸模量約350GPa的高模量碳纖維，中期目標約為開發(fā)拉伸模量500GPa以上的超高模量碳纖維；
3、開發(fā)基于自主生產的高模量/超高模量碳纖維的預浸料工藝和預浸料體系；
4、利用自主生產的高模量/超高模量碳纖維預浸料，進行設計、制造和測試衛(wèi)星用部件；
5、利用碳納米管摻雜樹脂基體來開發(fā)具有改善電學和熱學性能的預浸料。
1.3 項目組織形式
為了實現(xiàn)EUCARBON項目的目標，結合不同參與單位的優(yōu)勢，因此將項目分為四個子項目進行實施，分別為：空間應用設計、制造和測試（由EADS CASA Espacio牽頭）、高模量/超高模量碳纖維生產（由Fisipe牽頭）、預浸料和CFRP層壓板的制造（由INEGI牽頭）、復合材料特性研究（由CTL牽頭）。
圖2顯示了為項目建立的工作流程邏輯，其中包括首先明確衛(wèi)星子系統(tǒng)具體應用，然后確定此類應用的材料要求，碳纖維的制造，預浸料制備的使用，預浸料轉化為層壓板，以及最終的設計，最后根據(jù)項目內開發(fā)的材料制造和測試空間展示器。
圖2 項目實施過程中的詳細任務分解
2、項目進展情況
2.1 第一階段代表性成果
該項目的前18個月產生了以下主要結果：
初步確定了兩個衛(wèi)星子系統(tǒng)結構件作為目標產品，制定了高模量碳纖維研發(fā)計劃，根據(jù)高模量/超高模量碳纖維所需的前驅體纖維的配方進行設計，初步生產出拉伸模量246GPa，拉伸強度4360MPa，斷裂伸長率1.66%，密度1.78g/cm3的碳纖維。
制定了預浸料研發(fā)計劃，參照日本東麗M40J高模量碳纖維產品制定預浸料加工工藝，以42%的纖維含量生產預浸料，并對所制預浸料生產的層壓板進行首次試驗。
2.2 第二階段代表性成果
碳纖維的研發(fā)工作成果：研制的超高溫石墨化爐成功地實施了生產工藝，前驅體纖維的生產規(guī)模進一步擴大到工業(yè)級水平，而碳纖維的生產技術逐步從大絲束轉向小絲束碳纖維的生產（50k，24k，12k），其中12k高模量碳纖維的最佳性能：拉伸模量348GPa，拉伸強度4300MPa，斷裂伸長率1.2%，密度1.72g/cm3，目前已經啟動針對超高模量碳纖維的6k纖維原絲的生產。
圖3 葡萄牙Fisipe負責項目中高模量/超高模量碳纖維研發(fā)
預浸料研發(fā)成果：通過使用日本東麗M55J超高模量碳纖維加工預浸料，并根據(jù)工藝參數(shù)的控制調整預浸料工藝，如張力水平、樹脂粘度、溫度分布、樹脂擠壓、加工/停留時間、目標產品面質量、表面質量和預浸料厚度等；成功開發(fā)出Fisipe公司高模量碳纖維預浸料產品（圖4）；采用摻雜碳納米管的環(huán)氧樹脂預浸漬高模量碳纖維（以環(huán)氧重量計含量高達1.5%）（圖5），評估了碳納米管的表面功能性、負載率和其他物理/化學分散技術對固化動力學、流變特性的影響，以及碳納米管的分散與分布規(guī)律等對預浸處理和CFRP最終性能的影響。
圖4 以葡萄牙Fisipe高模量碳纖維為原料加工的預浸料
圖5 碳納米管改性的環(huán)氧樹脂基體
在項目第二階段，考慮到目標空間衛(wèi)星子系統(tǒng)的應用和所需材料的特性，用高模量碳纖維預浸料成功地設計和制造了兩個空間結構組件（演示用）：一個支柱（作為管制造）和一個天線副反射器。這些演示器按照通常用于空間組件性能的標準程序進行了進一步的測試評估，表明良好的性能符合在材料水平（碳纖維和預浸料）確定的性能預期，并適合在工業(yè)環(huán)境中制造。
圖6 自主研發(fā)的高模量碳纖維為原料制造的空間結構件
2.3 未來預期成效
通過本項目兩個階段實施，預期在葡萄牙Fisipe菲西伯建立一個空間領域用高模量/超高模量碳纖維的生產基地，有可能在短期內為空間應用提供高模量碳纖維，并在中期提供超高模量碳纖維；在高模量碳纖維制造工藝中，從前驅體配方到最終纖維結構轉化，將有力支持歐洲在高性能碳纖維方面的進一步發(fā)展，并提高歐洲部門在高性能碳纖維產品方面的競爭力。
開發(fā)用于高模量/超高模量碳纖維和定制樹脂配方的預浸材料的既定技術訣竅有望提高歐洲預浸料產品的創(chuàng)新能力。而實現(xiàn)高模量碳纖維和相關預浸料的工業(yè)生產和開發(fā)能力，預計將提高歐洲在高性能碳纖維復合材料應用新材料供應方面的技術能力；在整個碳纖維復合材料行業(yè)，如樹脂、預浸料、增強織物、基于碳纖維復合材料結構的系統(tǒng)設計生產方面，將在歐洲創(chuàng)造新的市場機會，并最終成為碳纖維復合材料構件的制造商和集成商。
2.4 項目其他成果
在本項目中除了碳纖維制造商、空間結構驗證的歐洲空客公司等以外，波爾圖大學主要負責了碳納米管改性環(huán)氧樹脂基體研究，通過本項目實施該大學培養(yǎng)博士1名、碩士3名，發(fā)表了數(shù)篇學術和會議論文，畢業(yè)生情況如下：
Susana Silva（波爾圖大學化學工程博士學位），論文題目：用于太空領域的具有增強性能的CNT/CFRP復合配方，2016年。
Ana Isabel Moreira（波爾圖大學化學工程碩士學位），論文題目：用于高性能復合材料的碳納米管填充高性能環(huán)氧基配方，2015年7月。
JoãoSottomayor（波爾圖大學機械工程碩士學位），論文題目：開發(fā)具有碳納米管和納米纖維的高性能結構–多功能復合材料的性能模型，2015年7月.
JoãoSottomayor論文（波爾圖大學機械工程碩士），論文題目：開發(fā)具有碳納米管和納米纖維的高性能結構–確定用于RTM工藝的納米復合材料配方的化學流變行為，2015年7月。
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