百吨级超高强度碳纤维工程化关键技术

来自 搜狐网 的图片

百吨级超高强度碳纤维工程化关键技术碳纤维是武器装备和战略新兴产业亟需的关键战略物资，是国外长期实施技术封锁和产品垄断的重点新材料。国外在超高强度碳纤维上处于领先水平，已成功开发了T1000G、IM8等产品，主要应用于航空、航天、高端体育器材等领域，高强高模高韧已然成为高性能碳纤维的最新发展趋势。相比国外，国内近年来虽然在高强T700级和高强中模T800级碳纤维上取得了重要进展，但在超高强度碳纤维上与国外还有较大差距。

目录

技术原理、技术要点

碳纤维是脆性材料，拉伸强度受缺陷控制，而缺陷的产生伴随着“原料-聚合-纺丝-碳化”的全流程，需要对原料粘度、聚合物均一性、纺丝凝固成型、预氧化碳化结构精细控制等进行调控。

该项目攻克了干喷湿纺超高强度碳纤维关键核心技术，解决了工程化制备难题，率先在国内建成了百吨级超高强度T1000G级碳纤维生产线。

主要创新点如下

（1）创新开发了高特性粘度、低固含量聚合原液制备技术。研究了新型链转移剂在高品质聚合物的制备技术；开发了高分子量聚合液粘度调节技术；研制了成套的原液精制系统，获得了低单体浓度，低凝胶的原液，减少了源头缺陷。

（2）攻克了超高强度碳纤维原丝干喷湿纺关键技术。研究了基于原液在空气层微区有限元的高特性粘度聚合物原液喷丝稳定性；摸索了不同非稳态区间下高特性粘度聚合物纺丝液凝固成型工艺（凝固浴温度：8-9℃、浓度：33-35%）；开发了具备高拉伸韧性（在180℃成膜后，断裂强度达到350N）的纺丝油剂；基于二维结构化网格模型下，设计了3组8mm串联式蒸汽降压降速节流元件，获得了蒸汽牵伸压力0.48MPa、倍数4.3的同步上升技术，纤维取向度达到了95.1%，实现了T1000G级超高强度碳纤维原丝的稳定制备。

（3）研制了基于预氧化纤维低缺陷控制和碳化精细化控制技术。开发了预氧化纤维结构低缺陷控制技术（芯皮比≤1%、预氧化温度≤255℃、预氧化密度1.340g/cm3），研究了低温碳化温热失重行为调控、多极微负压排焦（0~-5Pa）和高温碳化腐蚀性气氛精细化控制技术，实现碳纤维拉伸强度≥6400MPa，拉伸模量295±10GPa。

（4）构建了QZ6026超高强度碳纤维百吨级工程化技术体系。集成了具有自主产权的百吨级干喷湿纺超高强度碳纤维系列装备。

该成果获授权专利13件，其中发明专利6件，发表论文18篇。产品应用于固体发动机壳体、航空航天气瓶、高端体育器材等领域。产品在湖北三江航天江北机械工程有限公司、哈尔滨玻璃钢研究院有限公司进行评价，产品各项力学性能均满足设计与工艺指标，性能指标与国外同类产品相当。产品和技术在中复神鹰碳纤维有限责任公司、江苏鹰游纺机有限公司、连云港神鹰复合材料科技有限公司、沈阳中复科金压力容器有限公司等单位进行了应用推广，近两年新增销售收入1555.62万元，新增利润466.87万元。

该项目产品的成功开发，进一步推进了江苏省碳纤维及其复合材料全产业链的提质提效和协同创新，提升了江苏省作为碳纤维及复合材料大省的地位，同时丰富了我国高性能碳纤维产品体系，促进了国内下游碳纤维复合材料产业发展，提高了我国关键原材料自主保障能力，保障了重大装备研制和战略新兴产业发展。