國產高強高模碳纖維結構性能關聯性研究取得進展

高強高模碳纖維具有高比模量、熱膨脹係數小、尺寸穩定等系列優點，是衛星和航天器的主體結構、功能結構和防護結構等不可替代的關鍵材料。中國科學院寧波材料技術與工程研究所特種纖維事業部長期致力於國產高性能碳纖維技術研發，於2016年2月、2018年3月相繼實現國產M55J、M60J高強高模碳纖維製備技術突破。

在國產高強高模碳纖維繫列化製備技術基礎上，特種纖維事業部針對國產M55J級高強高模碳纖維微觀結構-宏觀性能關聯性等領域基礎科學問題開展了深入研究，通過纖維截面形貌研究發現，國產M55J高模碳纖維截面呈規則圓形，而東麗M55J碳纖維呈腰形（圖1），進一步通過高溫石墨化過程中纖維石墨特徵結構演變機理研究發現，高模碳纖維拉伸模量與Raman光譜中無序結構D峰、石墨特徵結構G峰的半高寬存在一定函數關係，D峰、G峰半高寬值越小，纖維拉伸模量越高；同時，國產M55J碳纖維拉伸強度高達4.86GPa，顯著高於東麗M55J碳纖維的4.02GPa，結合該性能差異針對其微觀結構研究發現，石墨微晶層間距和微晶取向是影響高模碳纖維拉伸強度的關鍵因素，國產M55J高模碳纖維與東麗M55J碳纖維石墨微晶層間距相同，但國產M55J高模碳纖維具有更高石墨微晶取向（圖2），說明高取向石墨微晶結構有利於高模碳纖維拉伸強度的提高。該系列研究成果發表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018, 112:111-118；Journal of Raman Spectroscopy，2019，doi.org/10.1002/jrs.5569等期刊上。

此外，針對聚丙烯腈預氧化纖維體密度及元素含量、低-高溫兩段石墨化等對高模碳纖維性能的影響規律等基礎研究，特種纖維事業部近期申請國家發明專利5項（申請號201810536653.x；201810431103.1；201810431101.2；201810339670.4；201810311440.7）、獲授權實用新型專利2項（201820826573.3；201820536161.6）。

該系列研究工作得到裝備發展部領域基金重點項目（6140922010103）、中科院先導專項（XDA17020405）等資助。

圖1 國產M55J高模碳纖維與東麗M55J纖維截面形貌對比

圖2 國產M55J高模碳纖維與東麗M55J纖維石墨微晶取向對比

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！