[00035460]连续碳纤维增强先进热塑性复合材料

一、概述 连续碳纤维(CF)增强特种工程塑料是目前发达国家用于军事、航空航天、 石油天然气、交通运输等领域的高性能工程复合材料。作为第三代纤维增强热塑 性树脂基复合材料，热塑性单向预浸带(UDTP)作为单向拉伸强度和模量极高 的材料，其拉伸性能已远远超过短纤维或长纤维增强热塑性复合材料(SFT和 LFT),轻松进入优质碳素结构钢的行列(拉伸强度HOOMPa)。而CF增强工程 塑料UDTP,其强度超过一般的超高强度钢(拉伸强度＞1620MPa)o借助于CF 极高的拉伸强度和模量，与可塑性良好的热塑性树脂基体复合制成热塑性预浸料。 预浸料基体通常有工程塑一尼龙(PA) 6、PA66、聚碳酸酯(PC)等，特 种工程塑料有聚芳醍酮(PEAKS)家族［包括聚醍醍酮(PEEK)、聚醍酮酮(PEKK) 等］、聚苯硫醍(PPS)等。 连续CF增强聚芳酰酮(PEAKS)复合材料，具有高强、高模、高耐热、 耐腐蚀、耐辐射、阻燃、低烟、易加工及生物配伍性优等诸多特性。拉伸强度 是普通高强钢和合金铝的5倍，密度是钢的五分之一、铝的60%。 轻型化是先进导弹武器发展的一个重要趋势，实现轻型化的主要措施是大量 应用先进复合材料及建立导弹关键复合材料设计与制造技术体系。美国国防部对 2025年国防材料发展中提出：既能满足耐高温要求，又能确保强度及模量在现 有基础上提高25%的材料，非复合材料莫属。 近年来，国际上航空航天领域的制造商已考虑下一代航空航天材料将增加使 用环保、可回收的先进热塑性复合材料。2015年底，国际化工材料巨头、世界 第四大碳纤维生产企业——Solvay集团正式收购国际著名的先进热塑性复合材 料生产商一美国Cytec公司，这项并购交易将加强苏威公司的先进材料在航 空航天和汽车轻量化方面的市场份额。2017年11月8日，Solvay完成了收购 一家德国的大丝束(50K)聚丙烯腊(PAN)碳纤维优质"原丝"生产商—— European Carbon Fiber GmbH ( "ECF" ) o Solvay 通过这次收购奠定了深 厚的发展根基，得以引领在汽车应用领域采用复合材料的潮流，服务特定工业市 场，并支持探索在航空领域采用大丝束纤维的潜力。2018年3月份，全球最大 的碳纤维制造商——日本东丽公司正式收购国际著名的热塑性预浸料生产企业 —荷兰TenCate先进复合材料公司。 这些迹象表明，国际碳纤维行业的材料巨头都开始在下一代先进热塑性复合 材料领域布局、占领未来航空航天领域新材料的制高点。我国应在大力开发高性 能碳纤维材料的同时，加大先进热塑性复合材料的研发力度,以适应今后在航空、 航天及国防等领域的发展需求。 二、所研制的先进热塑性复合材料 *************图一************* 图1所研制的CF/PEEK复合材料 (a): 120mm宽的预浸带，(b):热压模塑的板材 作为一种航空航天等高端制造业领域应用高性能材料的制备技术，连续CF 增强特种工程塑料预浸料多年来发达国家对我国实行了严格的保密和限制。本 项目采用自行设计、组装的连续CF增强PEAKS UDTP浸渍模具及制备流水 线，研发出外观平整、光滑，力学性能优异的CF/PEAKs复合材料，制备技术 居国内领先水平。本项目中的PEAKS包括PEEK和PEKK ****************图二********* (a):预浸带，(b):编制热压的板材 图1为基体树脂及所研制先进热塑性复合材料与金属材料的拉伸性能对比 柱状图 ***********图三************ 三、工作基础 山东理工大学谭洪生教授团队,依托挂靠材料学院的山东省高校先进复合材 料重点实验室，是省内最早从事连续纤维增强热塑性复合材料研究的。近年来, 该团队在国内率先系统研究了二维、三维蛇形及辗系三种熔融浸渍装置，自行设 计、组装了浸渍效果良好的连续纤维增强热塑性复合材料实验室小试和中试流水 线。 2019年5月6 ~ 8日，本团队的复合材料在北京•中国国际展览中心举行的 SAMPE中国2019年会暨第十四届先进复合材料制品、原材料、工装及工程应 用展览会上展出。团队负责人在同期进行的"热塑性复合材料2019国际研讨会” 上被邀请做了相关学术报告，受到参观者和与会者的关注和称蟹，预浸带制备技 术在国内处领先水平 ***********************图四********** 本团队在高性能连续碳纤维增强热塑性复合材料的研发方面,主持和参与的 项目： 主持： (1)中国航天科工集团公司航天特种材料与工艺技术研究所委托的技术开 发项目：线材成型技术开发。项目编号：2017-科技-198。 (2)中国航天科技集团公司第五研究院北京卫星制造厂有限公司委托的技术 4 开发项目:连续碳纤维增强复合材料及成型装置开发。项目编号：2019ZY605003. 参与： 中国航天科工集团公司航天特种材料与工艺技术研究所承担的军委科技委 科研项目："低成本XXX",面向XX导弹研发、生产、采购与使用全寿命周 期……。项目编号：17-163-16-XJ-001。本团队承担连续碳纤维增强聚醍酮酮复 合材料的研制，已完成。 综上，申请相关专利12项，授权9项，其中发明专利4项。发表SCI、EI 相关论文8篇，并形成了自己独立的知识产权。 **************图五************ 四、应用 连续CF增强PEAKS作为一种高性能先进热塑性树脂基复合材料，在欧美国 家目前已用于航天航空、石油和天然气和交通运输领域。国内迅猛发展的军事、 航空航天、轨道交通等领域对此类材料也有潜在的需求市场。 在2018年3月初的2018法国JEC国际复合材料展会上，国际化工、材料跨国 巨头纷纷亮相这次展会，如荷兰帝斯曼(DSM)、德国赢创(EVONIK).法国阿 科玛(ARKEMA)、比利时苏威(SOLVAY)及美国赫氏(HEXCEL)、美国杜邦 (Dupont)公司等均展示了自己的连续CF热塑性预浸料或构件。 连续CF增强PEKK是一种高性能先进热塑性树脂基复合材料，目前已用于航 天航空、石油和天然气、交通运输领域，耐热、力学性能优于现有的PPS基复合 材料。力学性能与PEEK基复合材料相当，因PEKK的玻璃化转变温度高于PEEK, 故耐热性优于PEEK,成本低于PEEK基复合材料。 NLR与GKN航空公司旗下Fokker技术公司在"热塑性塑料经济可承受飞机 主承力结构(TAPAS)"项目的第一和第二阶段所开发的热塑性复合材料(TPC) 技术开发方面颇有建树，成功研制出了跨度12m的抗扭箱，并于近期采用自动纤 维铺放技术(AFP)制成了6m长、28mm厚的碳纤维增强PEKK发动机挂架上梁。 预浸带采用荷兰TENCATE公司开发的CF/PEKK, ************图六********** 图6 NLR制备的CF/PEKK发动机悬梁 a:发动机悬梁，b:悬梁上的开孔 德国赢创公司分别采用CF/PA和CF/PEEK UDTP,在芯管上缠绕并包覆外 套管制成石油天然气工业用管材，以适应不同的耐压和耐温要求。 这种复合管材由于缠绕了单向强度极高的CF/PA和CF/PEEK的UDTP,预 计其耐压等级会非常高。作为柔性管，如用CF/PEEK预浸料，则其会拥有极高 的耐压、耐温、阻燃等特性。 ************图七********** 图7德国赢创公司的45%CF/ PEKK UDTP制石油天然气用复合管材 此外，在一般工业中，发达国家已用CF/PEEK预浸带压成板材，再进行机 械加工，制造空气压塑机的高速叶轮，相比于钢制叶轮，重量轻、噪音小。 ***********图八****** ***********图九******