高強(qiáng)高模碳纖維（又稱(chēng)石墨纖維）是我國(guó)新材料領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的一類(lèi)材料，其關(guān)鍵制備技術(shù)一直以來(lái)被國(guó)外掌控。近日，中科院寧波材料所在石墨纖維關(guān)鍵制備技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)M60J石墨纖維關(guān)鍵制備技術(shù)突破。
寧波材料所特種纖維事業(yè)部團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人宋書(shū)林研究員告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者：“我們已經(jīng)掌握結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)性規(guī)律，并建立國(guó)產(chǎn)石墨纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料的應(yīng)用評(píng)價(jià)體系，為碳纖維工程化制備和復(fù)合材料應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，國(guó)產(chǎn)石墨纖維實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)產(chǎn)。”
石墨纖維有何不同
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”，質(zhì)量比金屬鋁輕，但強(qiáng)度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國(guó)防軍工和民用方面都是重要材料。
碳纖維按力學(xué)性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000兆帕、模量為100GPa（1GPa=1000兆帕）左右。高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度2000兆帕、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。
隨著航天和航空工業(yè)的發(fā)展，還出現(xiàn)了高強(qiáng)高模碳纖維，其中應(yīng)用*廣的是聚丙烯腈基碳纖維（PANCF）。PANCF按照性能可分為高強(qiáng)中模和高強(qiáng)高模等類(lèi)型。其中，國(guó)內(nèi)高強(qiáng)中模型碳纖維拉伸強(qiáng)度*高可達(dá)6.5GPa，模量在300GPa左右。
寧波材料所特種纖維事業(yè)部技術(shù)負(fù)責(zé)人張永剛指出，我們制備得到的M60J石墨纖維拉伸強(qiáng)度為5.24GPa、拉伸模量為593GPa。“從數(shù)據(jù)上看，石墨纖維拉伸模量遠(yuǎn)高于高強(qiáng)中模碳纖維，強(qiáng)度略有損失。”
這里的石墨纖維含碳量高達(dá)99%以上，具有更高的模量，且熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)電性高、熱穩(wěn)定性好、尺寸穩(wěn)定，在宇宙飛行器及航空航天等領(lǐng)域可作為關(guān)鍵材料。
突破關(guān)鍵制備技術(shù)
碳纖維制備是一個(gè)系統(tǒng)工程，包含一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。由于部分反應(yīng)的機(jī)理還未研究透徹，以及相關(guān)反應(yīng)所需要設(shè)備的限制，均增加了碳纖維制備的難度。
國(guó)際上的碳纖維市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)并不充分，大部分的份額被日本和美國(guó)等**的少數(shù)公司壟斷著，這也導(dǎo)致碳纖維制品的售價(jià)較高。
多年來(lái)，國(guó)外掌握的石墨纖維關(guān)鍵制備技術(shù)對(duì)我國(guó)嚴(yán)格封鎖。這一局面隨著國(guó)內(nèi)碳纖維制備技術(shù)的逐步提升有所改善，相關(guān)科研單位正在提高關(guān)鍵裝備的成熟度，為制備石墨纖維提供了理論和裝備基礎(chǔ)。
石墨纖維是在纖維高溫碳化后，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步石墨化制備得到，石墨化程度非常高。張永剛告訴記者：“石墨化技術(shù)是制備石墨纖維的關(guān)鍵，主要包括裝備制造關(guān)鍵技術(shù)和碳纖維全流程制備技術(shù)。”
當(dāng)前已知理論認(rèn)為，石墨化溫度越高，碳纖維拉伸模量也越高，因此首先需要能夠提供足夠高溫度的石墨化裝置。通常，在2200℃以上纖維的石墨化程度逐步提高，溫度進(jìn)一步提升，纖維石墨化結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，理想狀態(tài)是，石墨化溫度達(dá)到3000℃。
張永剛也指出其中的難點(diǎn)是，限于材料耐溫性能和裝備加工水平，很難獲得滿足要求的石墨化裝備。
為了突破高等級(jí)石墨纖維，必須從結(jié)構(gòu)與性能關(guān)聯(lián)性研究出發(fā)。寧波材料所特種纖維事業(yè)部通過(guò)采取精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控，嚴(yán)格把控工藝條件，優(yōu)化纖維石墨化結(jié)構(gòu)，提升纖維宏觀性能。
經(jīng)努力攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)在較低石墨化溫度下，獲得了石墨纖維M55J和M60J的性能突破。此外，石墨化溫度的降低，有效延長(zhǎng)了石墨化裝備的壽命，實(shí)現(xiàn)了性能與成本的匹配。
穩(wěn)定技術(shù)規(guī)模生產(chǎn)
近年來(lái)，寧波材料所先后突破了高強(qiáng)中模碳纖維中試及工程化技術(shù)，2015年5月，特種纖維事業(yè)部制備得到M50J石墨纖維，拉伸強(qiáng)度及拉伸模量分別高達(dá)5.12GPa、475GPa。
2016年1月，寧波材料所在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)M55J制備技術(shù)重大突破，同年9月進(jìn)行了制備技術(shù)驗(yàn)證，并獲得拉伸強(qiáng)度4.15GPa、拉伸模量585GPa的石墨纖維，后續(xù)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)M55J石墨纖維連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。
隨后，寧波材料所特種纖維事業(yè)部針對(duì)國(guó)產(chǎn)石墨纖維工藝分析、結(jié)構(gòu)研究、性能優(yōu)化開(kāi)展了詳細(xì)研究，尤其是重點(diǎn)開(kāi)展高溫石墨化環(huán)境中碳纖維拉伸強(qiáng)度保留率研究工作，制備出國(guó)產(chǎn)M60J石墨纖維。
張永剛指出，與日本東麗M60J石墨纖維（拉伸強(qiáng)度3.92GPa、拉伸模量588GPa）相比，我們制備的國(guó)產(chǎn)M60J（拉伸強(qiáng)度5.24GPa、拉伸模量593GPa）繼續(xù)保持了拉伸強(qiáng)度上的優(yōu)勢(shì)。
當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)石墨纖維發(fā)展迅速，寧波材料所、北京化工大學(xué)等科研單位先后突破了國(guó)產(chǎn)M55J石墨纖維制備技術(shù)，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)正在開(kāi)展M55J工程化技術(shù)攻關(guān)。
寧波材料所國(guó)產(chǎn)M60J石墨纖維關(guān)鍵制備技術(shù)的突破，將進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)在石墨纖維領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)石墨纖維行業(yè)發(fā)展尚不成熟，多以軍工項(xiàng)目為主，民用方面還有待進(jìn)一步探索。
張永剛表示：“石墨纖維的潛在應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，我們將在實(shí)現(xiàn)制備技術(shù)穩(wěn)定及形成生產(chǎn)規(guī)模的基礎(chǔ)上逐步去拓展。”