在徐堅(jiān)教授的帶領(lǐng)下，材料委天津院前沿材料團(tuán)隊(duì)及中科院化學(xué)所對(duì)2019 年全球范圍內(nèi)高性能纖維復(fù)合材料在新產(chǎn)品、新工藝以及新市場(chǎng)等方面取得的科技進(jìn)展進(jìn)行了回顧。

 

作者簡(jiǎn)介：

 

徐堅(jiān)，深圳大學(xué)特聘教授，國(guó)家新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略咨詢(xún)委員會(huì)常務(wù)副主任

 

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

 

朱才鎮(zhèn)，深圳大學(xué)特聘研究員

 

劉瑞剛，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員

 

 

美國(guó)科技進(jìn)展

 

 

 2019年9月，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室表示正在通過(guò)將超高分子量聚乙烯與氧化硅納米粒子結(jié)合的一種新技術(shù)制備用于防彈衣的新材料，這種新材料具有更高的強(qiáng)度，是吸收子彈和其它彈殼撞擊的理想材料。2019年11月，美國(guó)官員表示，目前美國(guó)特種部隊(duì)正在對(duì)一款輕型戰(zhàn)斗裝甲進(jìn)行測(cè)試，它是之前“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型行動(dòng)服（TALOS）”的項(xiàng)目成果之一，這款輕型裝甲是一種“輕型聚乙烯肢體防護(hù)裝甲”，既強(qiáng)固又輕巧，比現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)裝備輕了25%，這款新型的戰(zhàn)斗裝甲與現(xiàn)役的標(biāo)準(zhǔn)步兵防彈服（身體覆蓋率19%）相比，身體覆蓋率達(dá)到44%以上，能有效保護(hù)士兵的肩膀、體前側(cè)、前臂和跨部。

 

 

2019年3月15日，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與阿肯色大學(xué)、邁阿密大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出3D碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，研制出一種定制化直接噴墨3D打印設(shè)備，可用于加工航空航天領(lǐng)域的短纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，這種材料的開(kāi)發(fā)為下一代多功能無(wú)人飛行器結(jié)構(gòu)零件的制造提供了技術(shù)支持。

 

 

在汽車(chē)領(lǐng)域，美國(guó)通用汽車(chē)公司于2019年宣布開(kāi)始在通用Sierra皮卡“GMC Sierra Denali 1500”和“GMC Sierra AT4 1500”中使用碳纖維車(chē)廂，該皮卡車(chē)廂（CarbonPro）由通用公司與帝人聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是世界上首次將碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料用于大批量生產(chǎn)的汽車(chē)結(jié)構(gòu)部件，這款“CarbonPro”與其他皮卡車(chē)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(guó)萊斯大學(xué)的Ajayan團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種高介電、高導(dǎo)熱以及耐高溫芳香聚酰胺纖維增強(qiáng)的層狀復(fù)合材料。該材料介電常數(shù)最高可達(dá)6.3，導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá)2.4 W·m﹣1·K﹣1，擊穿強(qiáng)度可高達(dá)292MV ·m﹣1，楊氏模量達(dá)到 11GPa，有望應(yīng)用于高溫儲(chǔ)能器件中。

 

 

2019年1月，佐治亞理工學(xué)院的Kumar 團(tuán)隊(duì)采用聚丙烯腈（PAN）纖維為原料，成功制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)40%的納米微晶纖維素（CNC）碳纖維。PAN/CNC 基碳纖維的拉伸強(qiáng)度在1.8~2.3 GPa 范圍內(nèi)，拉伸模量在220~265 GPa范圍內(nèi)。

 

 

6.東麗公司研制出世上首個(gè)具有納米級(jí)連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的多孔碳纖維

 

2019年11月18日，東麗公司通過(guò)自身的聚合物技術(shù)和纖維技術(shù)，研制出世界上第一種具有納米級(jí)連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的多孔碳纖維，并且可以利用自身的技術(shù)確?？紫兜木鶆蚍植家约岸ㄖ贫嗫捉Y(jié)構(gòu)的固定尺寸，這種纖維材料結(jié)構(gòu)緊密且質(zhì)輕，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和透氣性，可以用來(lái)制作先進(jìn)膜材料的支撐層，實(shí)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(qiáng)雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂（BMI）預(yù)浸料，這種預(yù)浸料具 有高達(dá)280℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以及較高的沖擊后抗壓強(qiáng)度和較小的線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)，是日本首個(gè)兼具高耐熱性和高耐沖擊性的BMI 預(yù)浸料，為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的生產(chǎn)提供了新的思路。

 

 

2019年3月6日，帝人汽車(chē)復(fù)合材料專(zhuān)業(yè)集團(tuán)開(kāi)發(fā)出了一種多材料復(fù)合材料汽車(chē)門(mén)概念，這款多材料側(cè)門(mén)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(qiáng)塑料（GFRP）制成，具有高強(qiáng)度、低重量、優(yōu)異的耐熱性和減震性、卓越的設(shè)計(jì)自由度以及能夠?qū)崿F(xiàn)深拉伸等優(yōu)點(diǎn)。帝人計(jì)劃于2025 年推出商用門(mén)模塊，爭(zhēng)取成為多材料汽車(chē)零部件的全球供應(yīng)商。

 

 

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

 

 

2019年10月9日，日本大成建設(shè)（Taisei）開(kāi)發(fā)了一種超輕型碳纖維復(fù)合材料（CFRP）結(jié)構(gòu)部件—T- CFRP 梁。該T-CFRP 梁重量?jī)H為鋼架的1/5，并且可以根據(jù)建筑物的應(yīng)用自由設(shè)計(jì)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度和形狀。這項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)將應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的建筑用輕量化構(gòu)件的需求。

 

 

日本汽車(chē)制造商協(xié)會(huì)于2019年下半年開(kāi)始有關(guān)如何回收燃料電池汽車(chē)中使用的碳纖維增強(qiáng)塑料的基礎(chǔ)研究，這項(xiàng)研究旨在通過(guò)探索阻燃碳纖維的燃燒機(jī)理，為將來(lái)報(bào)廢汽車(chē)做準(zhǔn)備。2019年9月24日，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與法國(guó)政府、歐洲空客發(fā)布了關(guān)于飛機(jī)碳纖維再利用等環(huán)保領(lǐng)域的合作戰(zhàn)略。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省將在碳纖維企業(yè)及相關(guān)學(xué)校的協(xié)助下，共同構(gòu)建碳纖維回收并以低成本再利用的生產(chǎn)機(jī)制。

 

 

 

2019年4月7日，英國(guó)利物浦公司（Briggs Au- tomotive Company，BAC）正式推出“Mono R”跑車(chē)。“Mono R”是世界上第一款在每個(gè)車(chē)身面板中都完全采用石墨烯增強(qiáng)碳纖維的量產(chǎn)車(chē)，石墨烯增強(qiáng)了纖維的結(jié)構(gòu)特性，使面板更堅(jiān)固、更輕，具有更好的機(jī)械和熱性能，也使得“Mono R”具有更高性能。

 

 

2019年11月，法國(guó)科紡勒集團(tuán)（Chomarat）為瑞典古斯塔夫斯堡（Arcona Yachts）的巡洋艦435型號(hào)和465 型號(hào)開(kāi)發(fā)了碳纖維增強(qiáng)材料。Cho-marat 為了在澆灌過(guò)程中獲得更好的滲透性，深入研究了高性能C-PLYTM 的最佳結(jié)構(gòu)，開(kāi)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(jī)械性能和與多種樹(shù)脂的相容性，而且可以實(shí)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(shù)將高達(dá)70%的碳纖維摻入層壓板中，可帶來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)、優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量及整體零件成本的縮減。

 

 

2019年，德國(guó)西格里（SGL ）為尋求更多的業(yè)務(wù)發(fā)展方式，擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料在更多領(lǐng)域中的作用。2019年4月30日，SGL與上海蔚來(lái)汽車(chē)有限公司（NIO）合作，共同研制電動(dòng)汽車(chē)碳纖維增強(qiáng)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(dǎo)率低200倍，能夠更好地保護(hù)電池本體不受外界冷熱的影響。除此以外，復(fù)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(xué)（TUM）團(tuán)隊(duì)與SGL的專(zhuān)家合作開(kāi)發(fā)了一種超回路列車(chē)（Hyperloop）膠囊艙的優(yōu)化模型，該模型使用了SGL 的預(yù)浸碳纖維編織材料，通過(guò)設(shè)計(jì)和材料優(yōu)化，膠囊艙結(jié)構(gòu)重約5.6kg，與6.1kg的前一型號(hào)相比輕了約10%。此外，不同于以前的塑料解決方案，此次運(yùn)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(chē)（Hyperloop）競(jìng)賽中，以463 km/h的速度為其研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得冠軍。

 

 

2019年12月4日，英國(guó)ELG Carbon Fibre公司為助力英力士隊(duì)參戰(zhàn)美洲杯帆船賽，利用制造比賽船只時(shí)產(chǎn)生的廢料，將其再加工成非織造碳纖維氈，進(jìn)一步用來(lái)制成了兩個(gè)固定船身的運(yùn)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(fù)合材料可以進(jìn)行回收再利用，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。

 

 

2019年12月10日，ELG 和英國(guó)哈德斯菲爾德大學(xué)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(gè)碳纖維復(fù)合軌道轉(zhuǎn)向架，稱(chēng)為“CAFIBO”。該新型轉(zhuǎn)向架完全由剩余和回收的碳纖維材料制成，比常規(guī)轉(zhuǎn)向架輕，并具有更優(yōu)異的垂直和橫向剛度。在鐵路車(chē)輛中使用這種新型轉(zhuǎn)向架可以減少軌道磨損、降低基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)成本、提高可靠性和運(yùn)營(yíng)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(shù)的新型玄武巖纖維復(fù)合材料（CBF），用這種材料打印的零件，強(qiáng)度是塑料的30 倍、鋁的2倍，比重也更輕。德國(guó)Lipex Engineering GmbH公司在俄羅斯投資5000萬(wàn)歐元，開(kāi)始建立玄武巖纖維生產(chǎn)線(xiàn)，以滿(mǎn)足玄武巖纖維快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

 

 

2019年5月2日，德國(guó)西格里公司（SGL）與英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心（National Composite Center, NCC）達(dá)成合作協(xié)議，雙方將針對(duì)航空、交通運(yùn)輸和油氣等領(lǐng)域的市場(chǎng)需求，共同開(kāi)發(fā)下一代復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，提升一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)件中復(fù)合材料的使用率。目前，雙方已經(jīng)利用NCC位于英國(guó)布里斯托的實(shí)驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展碳纖維織物（包括無(wú)卷曲布等）先進(jìn)加工工藝的項(xiàng)目研發(fā)，下一步將利用SGL 集團(tuán)所提供的碳纖維無(wú)卷曲布生產(chǎn)出復(fù)合材料機(jī)翼樣件。

 

 

2019年12月3日，SGL與Solvay達(dá)成一項(xiàng)聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)議。該協(xié)議計(jì)劃將基于大絲束中模量（IM）碳纖維的首個(gè)用于商業(yè)航空的復(fù)合材料推向市場(chǎng)，這些材料將基于SGL的IM 碳纖維和Solvay的主結(jié)構(gòu)件樹(shù)脂系統(tǒng)，幫助滿(mǎn)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(jī)的生產(chǎn)工藝和燃油效率。

 

 

2019年12月13日，德國(guó)拜羅伊特大學(xué)高分子化學(xué)和聚合物研究所Greiner團(tuán)隊(duì)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(guò)改進(jìn)分子交聯(lián)， 克服了人造纖維材料強(qiáng)度和韌性的沖突，制造出多纖維 PAN 紗線(xiàn)，韌性高達(dá)（137±21）J/g、拉伸強(qiáng)度為（1236±40）MPa。

 

 

2019年10月29日，由中復(fù)神鷹牽頭，東華大學(xué)和江蘇新鷹游機(jī)械有限公司共同承擔(dān)的“QZ6026（T1000 級(jí)）超高強(qiáng)度碳纖維百?lài)嵓?jí)工程化關(guān)鍵技術(shù)”順利通過(guò)了技術(shù)鑒定，率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡T1000級(jí)超高強(qiáng)度碳纖維工程化，將來(lái)可以為更多的國(guó)產(chǎn)先進(jìn)武器和設(shè)備提供高性能纖維材料。

 

 

2019年12月13日，世界上首條全線(xiàn)路采用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)的特高壓工程在內(nèi)蒙古正式并網(wǎng)投運(yùn)，該工程線(xiàn)路全長(zhǎng)14.6km，全部采用中國(guó)自主研制的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)，與傳統(tǒng)的鋼芯導(dǎo)線(xiàn)相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線(xiàn)具有重量輕、強(qiáng)度高、安全性好、導(dǎo)體導(dǎo)電率高、傳輸損失小等優(yōu)點(diǎn)。該線(xiàn)路的投運(yùn)不僅可以節(jié)約能源，降低運(yùn)行成本還可以每年增加132萬(wàn)kW/h 的輸送電量，以緩解用電緊張問(wèn)題。

 

 

在汽車(chē)領(lǐng)域，2019年3月20日，中國(guó)首輛采用氫能碳纖維車(chē)身的乘用車(chē)在“中國(guó)光谷”研制成功，該車(chē)搭載全球領(lǐng)先技術(shù)的氫燃料電堆，續(xù)航里程可達(dá)1000km以上，全身采用碳纖維材料，使車(chē)身結(jié)構(gòu)更輕更強(qiáng)韌、汽車(chē)更加輕量化。該車(chē)預(yù)計(jì)于2020年在中國(guó)一線(xiàn)城市推廣。

 

 

2019年12月6日，威海光威復(fù)合材料股份有限公司向航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所交付了首架AV500B/C無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)的蒙皮（蜂窩和泡沫夾層結(jié)構(gòu)件）、整體油箱承力結(jié)構(gòu)、尾梁整體結(jié)構(gòu)和層壓件、封閉腔型結(jié)構(gòu)件等零件，采用了大量由光威復(fù)材自主研制的碳纖維復(fù)合材料，極大地提高了無(wú)人機(jī)巡航能力和機(jī)動(dòng)靈活性。該系列無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于軍用市場(chǎng)，也可通過(guò)改裝用于其他民用領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)潛力。

 

 

在PAN基碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)性研究方面，科研人員發(fā)現(xiàn)對(duì)于模量大于 350GPa的PAN 基碳纖維，石墨化程度的提高對(duì)模量的提高關(guān)系不大，而主要來(lái)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(zhǎng)以及石墨晶體取向度的增大；對(duì)于PAN 基碳纖維的強(qiáng)度而言，石墨晶體之間相互糾纏和石墨片層之間的缺點(diǎn)則可以有效使碳纖維在牽伸過(guò)程中應(yīng)力的分散，從而提高碳纖維的強(qiáng)度。此外，碳纖維中的任何缺陷結(jié)構(gòu)，包括微孔、皮芯結(jié)構(gòu)等均導(dǎo)致碳纖維性能降低，理想的PAN基碳纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)均勻，盡量減少皮芯結(jié)構(gòu)等缺陷。

 

 

2019年3月29日，四川省玻纖集團(tuán)有限公司聯(lián)合四川大學(xué)、西南科技大學(xué)共同研發(fā)出了連續(xù)玄武巖纖維單元池窯生產(chǎn)技術(shù)，投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)了中國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一條年產(chǎn)8000t 連續(xù)玄武巖纖維池窯拉絲中試生產(chǎn)線(xiàn)。該生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)成功生產(chǎn)出9~17 μm多個(gè)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(chǎn)成本，為國(guó)內(nèi)連續(xù)玄武巖纖維的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

 

 

2019年11月23日，由內(nèi)蒙古石墨烯材料研究院與清華大學(xué)共同研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化對(duì)位芳綸，經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的調(diào)試運(yùn)行，順利建成了年產(chǎn)100t 的對(duì)位芳綸生產(chǎn)線(xiàn)，成功打破了國(guó)外對(duì)芳綸技術(shù)壟斷，加速推進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)位芳綸的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

 

 

但是傳統(tǒng)芳綸納米纖維（aramid nanofibers，ANFs）制備方法存在周期長(zhǎng)（7 d）、反應(yīng)濃度低（0.2%）、反應(yīng)效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重困擾著ANFs 規(guī)?；瘧?yīng)用與發(fā)展。陜西科技大學(xué)張美云團(tuán)隊(duì)為解決這一問(wèn)題，利用原纖化/超聲/質(zhì)子供體耦合去質(zhì)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(shí)也探究了高濃度ANFs的制備，在12h內(nèi)即可制得4.0%的高濃ANFs，成膜具有優(yōu)異的機(jī)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(jiǎn)單、性能優(yōu)異，有望進(jìn)一步推動(dòng)其規(guī)?；a(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。