摘 要
為了應(yīng)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(chǎn)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(yù)浸料技術(shù)和產(chǎn)品水平，歐洲啟動了“歐洲空間技術(shù)用合格碳纖維和預(yù)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(chǎn)能力，開發(fā)出該款高模量碳纖維預(yù)浸料產(chǎn)品，并成功設(shè)計并制造了太空結(jié)構(gòu)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(guān)。
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(yīng)用的高模量和超高模量碳纖維及其相關(guān)預(yù)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(yù)浸料是空間研究中技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，因此其核心技術(shù)已成為影響歐洲空間技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。
圖1 歐洲本土代表公司西格里產(chǎn)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(yù)浸料供應(yīng)資格
鑒于滿足航空航天標(biāo)準(zhǔn)的碳纖維要么在歐洲以外國家生產(chǎn)，要么在外國的監(jiān)督下在歐洲分公司生產(chǎn)，因此，極大削弱了歐洲在空間技術(shù)方面的競爭力，同時也涉及到交貨周期和不可預(yù)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(shù)用合格碳纖維和預(yù)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(jīng)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(biāo)
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(chǎn)基地，來生產(chǎn)空間技術(shù)用碳纖維，并開發(fā)有關(guān)預(yù)浸料制備的專門技術(shù)；在該項目中也進(jìn)一步探討了以碳納米管改性樹脂為基礎(chǔ)，制備新型預(yù)浸料的方法，為高性能預(yù)浸料的制備提供良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。
本項目的主要目標(biāo)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(nèi)目標(biāo)為開發(fā)拉伸模量約350GPa的高模量碳纖維，中期目標(biāo)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(chǎn)的高模量/超高模量碳纖維的預(yù)浸料工藝和預(yù)浸料體系；
4、利用自主生產(chǎn)的高模量/超高模量碳纖維預(yù)浸料，進(jìn)行設(shè)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(xué)和熱學(xué)性能的預(yù)浸料。
1.3 項目組織形式
為了實現(xiàn)EUCARBON項目的目標(biāo)，結(jié)合不同參與單位的優(yōu)勢，因此將項目分為四個子項目進(jìn)行實施，分別為：空間應(yīng)用設(shè)計、制造和測試（由EADS CASA Espacio牽頭）、高模量/超高模量碳纖維生產(chǎn)（由Fisipe牽頭）、預(yù)浸料和CFRP層壓板的制造（由INEGI牽頭）、復(fù)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(yīng)用，然后確定此類應(yīng)用的材料要求，碳纖維的制造，預(yù)浸料制備的使用，預(yù)浸料轉(zhuǎn)化為層壓板，以及最終的設(shè)計，最后根據(jù)項目內(nèi)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(xì)任務(wù)分解
2、項目進(jìn)展情況
2.1 第一階段代表性成果
該項目的前18個月產(chǎn)生了以下主要結(jié)果：
初步確定了兩個衛(wèi)星子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件作為目標(biāo)產(chǎn)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(qū)體纖維的配方進(jìn)行設(shè)計，初步生產(chǎn)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(yù)浸料研發(fā)計劃，參照日本東麗M40J高模量碳纖維產(chǎn)品制定預(yù)浸料加工工藝，以42%的纖維含量生產(chǎn)預(yù)浸料，并對所制預(yù)浸料生產(chǎn)的層壓板進(jìn)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(chǎn)工藝，前驅(qū)體纖維的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大到工業(yè)級水平，而碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)逐步從大絲束轉(zhuǎn)向小絲束碳纖維的生產(chǎn)（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(jīng)啟動針對超高模量碳纖維的6k纖維原絲的生產(chǎn)。
圖3 葡萄牙Fisipe負(fù)責(zé)項目中高模量/超高模量碳纖維研發(fā)
預(yù)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(yù)浸料，并根據(jù)工藝參數(shù)的控制調(diào)整預(yù)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(biāo)產(chǎn)品面質(zhì)量、表面質(zhì)量和預(yù)浸料厚度等；成功開發(fā)出Fisipe公司高模量碳纖維預(yù)浸料產(chǎn)品（圖4）；采用摻雜碳納米管的環(huán)氧樹脂預(yù)浸漬高模量碳纖維（以環(huán)氧重量計含量高達(dá)1.5%）（圖5），評估了碳納米管的表面功能性、負(fù)載率和其他物理/化學(xué)分散技術(shù)對固化動力學(xué)、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(yù)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(yù)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(biāo)空間衛(wèi)星子系統(tǒng)的應(yīng)用和所需材料的特性，用高模量碳纖維預(yù)浸料成功地設(shè)計和制造了兩個空間結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行了進(jìn)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(yù)浸料）確定的性能預(yù)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(jié)構(gòu)件
2.3 未來預(yù)期成效
通過本項目兩個階段實施，預(yù)期在葡萄牙Fisipe菲西伯建立一個空間領(lǐng)域用高模量/超高模量碳纖維的生產(chǎn)基地，有可能在短期內(nèi)為空間應(yīng)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(qū)體配方到最終纖維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，將有力支持歐洲在高性能碳纖維方面的進(jìn)一步發(fā)展，并提高歐洲部門在高性能碳纖維產(chǎn)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(yù)浸材料的既定技術(shù)訣竅有望提高歐洲預(yù)浸料產(chǎn)品的創(chuàng)新能力。而實現(xiàn)高模量碳纖維和相關(guān)預(yù)浸料的工業(yè)生產(chǎn)和開發(fā)能力，預(yù)計將提高歐洲在高性能碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用新材料供應(yīng)方面的技術(shù)能力；在整個碳纖維復(fù)合材料行業(yè)，如樹脂、預(yù)浸料、增強織物、基于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)方面，將在歐洲創(chuàng)造新的市場機會，并最終成為碳纖維復(fù)合材料構(gòu)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(jié)構(gòu)驗證的歐洲空客公司等以外，波爾圖大學(xué)主要負(fù)責(zé)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(xué)培養(yǎng)博士1名、碩士3名，發(fā)表了數(shù)篇學(xué)術(shù)和會議論文，畢業(yè)生情況如下：
Susana Silva（波爾圖大學(xué)化學(xué)工程博士學(xué)位），論文題目：用于太空領(lǐng)域的具有增強性能的CNT/CFRP復(fù)合配方，2016年。
Ana Isabel Moreira（波爾圖大學(xué)化學(xué)工程碩士學(xué)位），論文題目：用于高性能復(fù)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(xué)機械工程碩士學(xué)位），論文題目：開發(fā)具有碳納米管和納米纖維的高性能結(jié)構(gòu)–多功能復(fù)合材料的性能模型，2015年7月.
JoãoSottomayor論文（波爾圖大學(xué)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(jié)構(gòu)–確定用于RTM工藝的納米復(fù)合材料配方的化學(xué)流變行為，2015年7月。
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