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【技术干货】通过增加国产T800碳纤维的直径来提高碳纤维复合材料的压拉平衡性

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石墨烯联盟 2021-04-23 16:57

中科院宁波材料所高性能碳纤维及其复合材料团队(原中科院宁波材料所特种纤维事业部,以下简称“碳纤维团队”)成立于2008年,专注于高性能碳纤维国产化技术研发,经过十余年发展,团队已先后突破国产T800级、T1000级高强中模碳纤维关键制备技术,国产M40J、M50J、M55J、M60J、M65J级高模碳纤维关键制备技术,以及国产M30X、M40X型新型高强高模碳纤维关键技术。

在传统碳纤维制备技术基础上,碳纤维团队利用现有高性能碳纤维柔性化制备平台可为客户提供定制化服务,如为了满足客户提高碳纤维复合材料压拉比(压缩强度与拉伸强度比值)的需求,开发出与市场上现有T800碳纤维差别较大纤维,该纤维在保持T800级碳纤维主体性能指标基础上,纤维直径增加了16%,使用该粗直径规格国产T800碳纤维制备得到复合材料压拉比获得大幅提升。

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碳纤维复合材料的压拉比

压拉比是表征碳纤维增强树脂基复合材料的压拉平衡的一项重要指标,它是指碳纤维复合材料压缩强度与拉伸强度比值。表1为日本东丽碳纤维增强树脂基复合材料主体性能及压拉比。

表1 日本东丽碳纤维复合材料性能及压拉比

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从上表1可以看出,东丽T300级碳纤维复合材料拉伸强度及压缩强度较低,但是却具有最高的压拉比0.79,T700、T800等碳纤维增强复合材料拉伸强度虽然获得大幅提升,但是压缩强度增加不明显,导致复合材料压拉比逐渐下降。由于碳纤维复合材料压缩强度、压拉平衡性能偏低,导致碳纤维复合材料构件受压缩载荷时易于发生破坏,从而严重限制其应用,为此如何提升碳纤维复合材料压拉比成为近年来研究热点之一。

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国产T800碳纤维直径调控

碳纤维团队在国产高强中模碳纤维研制过程中实现了碳纤维直径的柔性控制,制备得到不同直径规格的国产T800级高强中模碳纤维。

依据 Weibull 最弱链接理论, 纤维拉伸断裂出现在最大缺陷处,纤维尺寸越大,出现较大缺陷概率也随之增高,因而纤维直径越细,碳纤维拉伸强度越高。为何不同纤维直径获得的碳纤维力学性能相近,碳纤维团队科研人员针对其机制开展了研究。研究首先围绕纤维的力学性能展开,碳纤维团队研制的两种不同直径规格T800级碳纤维NBF1、NBF2的拉伸强度与拉伸模量均略高于日本东丽T800碳纤维实测性能(表2)。

表2 国产T800级碳纤维与东丽T800碳纤维性能对比

采用扫描电子显微镜截面测量方法对不同纤维直径进行了测试,同时与理论计算直径进行了对比(表3),研究发现碳纤维团队研制NBF2纤维直径实测值高达6.31μm,相比东丽T800碳纤维提高了16%,不同直径规格T800级碳纤维表面及断面如图1所示。

表3 国产T800级碳纤维与东丽T800碳纤维直径对比

图1 不同直径规格T800级碳纤维表面及断面SEM图

随后详细研究了纤维直径与微观结构关联性,随着直径的增大, 碳纤维单丝压缩强度的变化趋势与基面宽度 La 基本一致, 均先减小后增大(图2)。

图2 国产 T800 碳纤维基面宽度 La与压缩强度的变化

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粗直径T800碳纤维复合材料的压拉比

表 4 为大直径与常规直径国产高强中模型碳纤维的复合材料性能。从表中可以看出,粗直径国产碳纤维增强复合材料的压缩强度高达1718MPa,较常规直径规格碳纤维复合材料性能明显提升,而且也优于东丽T800碳纤维复合材料压缩强度的1570MPa。

经计算,国产粗直径T800碳纤维增强复合材料压拉比已经达到0.86,与表1中日本东丽复合材料相比,国产粗直径T800碳纤维复合材料压拉比均高于现有材料体系。

表4 不同直径国产T800碳纤维复合材料基本性能

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结束语

目前碳纤维团队通过发改委国家工程实验室、高性能碳纤维产业化技术浙江省工程实验室等平台形成了完全自主的高性能碳纤维知识产权体系,可以为目标客户提供定制化产品。碳纤维团队研发的粗直径国产T800碳纤维、新型M40X高强高模碳纤维等在完成纤维制备和小批量生产基础上,均获得用户单位复合材料优异的应用评价,也诚邀有定制化需求的客户洽谈合作。

文章来源:碳纤维及其复合材料技术

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