登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《从6小时到100秒：美国科学家研发超高效碳纤维复合材料打印技术 》

  • 来源专题：智能制造
  • 编译者： icad
  • 发布时间：2025-07-23

  • 2025年5月，科罗拉多州立大学和亚利桑那州立大学的研究人员成功开发出一种革命性的增材制造方法，可快速制造高性能碳纤维增强热固性复合材料。这项发表在 Nature Communications期刊上的研究，展示了通过原位光热转换实现即时固化，彻底改变了复合材料的生产方式。

    研究通讯作者Mostafa Yourdkhani教授表示："我们的技术消除了传统复合材料制造中的主要瓶颈——昂贵的模具和耗时的热固化过程，这为航空航天和汽车工业的轻量化结构部件制造开辟了新途径。"

    创新技术原理

    此方法巧妙结合了热响应性二环戊二烯(DCPD)树脂与安装在机器人平台上的低功率蓝色激光。当激光照射到碳纤维上时，纤维能在200毫秒内吸收光能并转换为热能，将温度迅速提高到220-240°C，使周围的树脂立即固化。这一过程不仅可以在固体表面上进行，还能在空中实现自由成形打印。

    传统制造工艺中，模具成本可能占最终产品成本的30%以上，并且需要长达6小时的烘箱固化，此项技术可以在100秒内完成一个双层复合支架的打印，能耗仅为传统方法的0.01%。

    研究团队证明，通过这种方法制造的复合材料在机械性能上与传统固化的样品相当，具有相似的弯曲模量和玻璃化转变温度(约160°C)。在连续纤维复合材料中，碳纤维体积分数高达70%，而孔隙含量低至0-1.5%，表明打印质量极高。

    打印速度可达1.5米/分钟，研究人员表示，如使用更高功率的激光，速度还可进一步提高。此系统能在不同表面之间连续打印长达1.8米的结构，为大型复杂形状的复合材料结构制造提供了可能。

    研究成员表示："我们的方法不仅适用于碳纤维，初步测试表明芳纶纤维也能取得良好效果，这意味着该技术具有广泛的适应性，可用于各种增强纤维和几何形状。"

    行业应用前景

    这项研究为高性能复合材料制造领域带来了重大突破，有望在航空航天、汽车、船舶和能源等行业找到广泛应用。研究人员计划进一步优化工艺参数并探索更多材料组合，以满足不同行业的具体需求。

  • 原文来源：https://www.nanjixiong.com/thread-176140-1-1.html
27浏览量
原文链接
相关报告

  • 《美国高性能碳纤维技术早期发展历程研究 》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2019-08-15
    • 美英日的碳纤维产业都经历过扼腕叹息的历史：曾经辉煌的公司，如英国皇家航空研究所（RAE) 、英国考陶尔兹(Courtaulds)、英国劳斯莱斯（Rolls-Royce）、英国RK Carbon、美国联合碳公司（UCC）、美国塞兰尼斯Celanese、美国阿莫科（AMOCO），日本大阪工业试验所,日本碳素,日本旭化成……，他们在碳纤维领域均不复存在了。这真可谓大江东去,，浪淘尽，千古风流人物……。 李世民曾讲过：”以史为镜,可以知兴替”。军事科学院周宏同志的这些文章素材详实、技术描述专业，是研究碳纤维历史少有的好文章。同时，他也提出了一个问题：“英国碳纤维技术由盛到衰，教训值得深思”，近些年，英国政府把碳纤维复合材料列为战略产业，政府确定将复合材料作为未来几十年制造业振兴的关键驱动力（the Government identified composites as a key driver in enabling the UK’s manufacturing base to flourish in the coming decades-The UK Composites Strategy），碳纤维产业的基本缺失（除了SGL在英国的大丝束工厂），他们反省会更加刻骨铭心。 然而，当我们回看中国碳纤维的发展历史：1962年，中国科学院长春应化所以李仍元为组长的“聚丙烯腈基碳纤维的研制”课题组（与国际同时起步）；1972年，化工部吉林化工研究院开展硝酸法研制碳纤维PAN原丝，并在年产3吨装置上取得硝酸一步法制取原丝，供山西燃化所和长春应化所研究碳纤维（稍微晚于东丽）；1975年由当时的国防科委主任张爱萍主持7511会战；1986年，吉林化学工业公司引进英国RK CARBON的技术；2001年师昌绪先生给江泽民主席写了 “关于加速开发高性能碳纤维的请示报告”；2002年安徽华皖集团全套引进英国的原丝碳化生产技术，从此开启中国狂飙猛进的工业建设浪潮；再到今天的“扩产能、求生存、谋发展、待破局的复杂局面”。我们的产业何去何从？确实值得行业同仁深刻反思，……。 美国高性能碳纤维技术早期发展史研究 周宏 军事科学院 摘要：碳纤维发明于美国，最早用作白炽灯的发光体。目前，其高端应用主要是航空航天器的结构材料。碳纤维从灯泡发光体到航空航天器关键材料的应用历程中，原美国联合碳化物公司帕尔马技术中心（Union CarbideCorp.’s Parma Technical Center）的两位科学家发挥了重要作用；罗格·贝肯（Roger Bacon）1958年发现了“石墨晶须（graphite whiskers）”超高强度现象，1964年又发明了制备高模量人造丝基碳纤维的“热拉伸（hot-stretching）”技术；伦纳德·辛格（Leonard Singer）1970年发明了制备中间相沥青基碳纤维的技术。这两位科学家的发现发明，奠定了碳纤维高性能化发展的科学技术基础。本文较全面地综述了美国科学家在高性能碳纤维技术发展初期的研究贡献。 关键词：高性能碳纤维 石墨晶须中间相 沥青基碳纤维 作者介绍：周宏，男，1963年生，教授级高级工程师，长期致力于对位芳纶基单兵作战防护装备技术研究，以及国产高性能纤维技术发展战略研究。 Author’s Introduction: Zhou Hong, Male, Born inJanuary of 1963 in Beijing; HanNationality; Senior engineer of theQuartermaster Research Institute of PLA; since 1995, he has engaged in researchof soldier protective equipment based on PPTA fiber material; since 2006, he hascommitted to doing strategic research on domestication of high performancefibers; and is a member of the expert group for National Priority S&TProject (National S&T Priority Project for High Performance FiberReinforced Composite Material). 碳纤维诞生在美国，其高性能化的基础科学研究也发端在那里。今天，美国仍是世界高性能碳纤维的生产和应用强国。研究美国高性能碳纤维技术的发展历程，对我国碳纤维产业的技术进步和健康发展应有所借鉴。 本文综述了美国高性能碳纤维技术的早期发展过程及两位科学家的重要研究贡献，分析了其经验。 一、碳纤维诞生在美国，始于白炽灯的发明 碳纤维是作为白炽灯的发光体诞生的。英国化学家、物理学家约瑟夫·威尔森·斯万爵士（Sir Joseph Wilson Swan，1828–1914）发明了以铂丝为发光体的白炽灯。为解决铂丝不耐热的问题，斯万使用碳化的细纸条代替铂丝。由于碳纸条在空气中很容易燃烧，斯万通过把灯泡抽成真空基本解决了这一问题。1860年，斯万发明了一盏以碳纸条为发光体的半真空电灯，也就是白炽灯的原型；但当时真空技术不成熟，所以灯的寿命不长。19世纪70年代末，真空技术已渐成熟，斯万发明了更实用的白炽灯，并于1878年获得了专利权。1879年，爱迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931）发明了以碳纤维为发光体的白炽灯。他将富含天然线性聚合物的椴树内皮、黄麻、马尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形状，并对其进行高温烘烤；受热时，这些由连续葡萄糖单元构成的纤维素纤维被碳化成了碳纤维。1892年，爱迪生发明的“白炽灯泡碳纤维长丝灯丝制造技术（Manufacturing of Filamentsfor Incandescent Electric Lamp）”获得了美国专利（专利号：470925）（图1）。可以说，爱迪生发明了最早商业化的碳纤维。 由于原料源于天然纤维，早期的碳纤维几乎没有结构强力，使用中很容易碎裂、折断，即便只是作为白炽灯的发光体，其耐用性也很不理想。1910年左右，钨丝替代了早期的碳纤维灯丝。尽管如此，很多美国专利证实，爱迪生发明碳纤维后的30多年里，改进碳纤维性能的研究从未停止过。然而，这些努力都未能把碳纤维性能提高到令人满意的程度。此间，碳纤维研究停滞不前，处于休眠期。 二、人造纤维化学纤维的出现，为美国高性能碳纤维技术基础科学研究提供了前提 人造纤维化学纤维的出现，把碳纤维技术引入了“再发明（reinvented）”时代。20世纪早期，粘胶（1905）和醋酯（1914）等人造纤维的出现，特别是20世纪中期，聚氯乙烯（1931）、聚酰胺（1936）和聚丙烯腈（1950）等化学纤维的商业化，为美国开创高性能碳纤维技术的基础科学研究提供了前提。 20世纪50年代中期，美国人威廉姆•F•阿博特（WilliamF. Abbott）发明了碳化人造纤维提高碳纤维性能的方法。作为卡本乌尔公司（Carbon Wool Corporation）的委托人，阿博特（Abbott）于1956年3月5日向美国专利局提交了“碳化纤维方法（Method for CarbonizingFibers）”的专利申请（申请号Serials No. 569,391），但此项申请是否获得专利，不得而知。1959年11月12日，阿博特再次提出了同样的专利申请（申请号Serials No. 852,530），1962年9月11日，该项申请获得了美国专利授权（专利号：3053775）。（图2） 阿博特（Abbott）专利的技术要点是：一种生产固有密度高、拉伸强力好的纤维形态碳材料的加工工艺。当时的碳纤维在很小的机械力作用下，就会断裂。阿博特的发明称，其可使碳纤维的碳密度和硬度更高，在机械力作用时保持纤维形态不被破坏；且直径更细，表面更清洁，柔韧性和弹性更好；纤维直径及性能可设计和控制；原料必须采用粘胶、铜氨和皂化醋酸等再生纤维素纤维及合成纤维，不能采用天然纤维。 申请该专利的卡本乌尔公司（Carbon Wool Corporation）是一家当时位于美国加利福尼亚州奥海镇（Ojai, California）的公司，成立于1955年，后被税务部门吊销。由于信息有限，该公司和阿博特（Abbott）本人的详细情况尚无从知晓。 阿博特（Abbott）的专利被转让给了美国巴尼比-切尼公司（Barnebey-Cheney Company）。1957年，巴尼比-切尼公司开始商业化生产棉基或人造丝基碳纤维复丝，但其只能用来生产绳、垫和絮等产品，用于耐高温、耐腐蚀等用途；其可独立用作吸附用活性炭纤维。 自此，高性能碳纤维基础科学研究和工业化技术研发进入了高峰期。 三、高性能碳纤维技术的基础科学研究被确认为“美国历史上的化学里程碑” 美国历史上的化学里程碑（National Historic ChemicalLandmark），是美国化学会（American Chemical Society‹ACS›）开展的一项发掘整理美国有历史影响的化学家和化学事件的活动。各区域分支机构申报本地区曾出现的人物和发生过的事件，美国化学会组织专家考核和认定。 位于俄亥俄州帕尔马市（Parma，Ohio）的葛孚特国际公司（GrafTech International Ltd.）向美国化学会申报了“高性能碳纤维（High Performance CarbonFibers）”项目。该公司的前身是美国联合碳化物公司（Union CarbideCorp.）。2003年9月17日，美国化学会确认，原美国联合碳化物公司帕尔马技术中心（US Union CarbideCorp.’sParma Technical Center）曾开展的高性能碳纤维技术研究，是一项“美国历史上的化学里程碑”；罗格·贝肯（Roger Bacon）1958年发现了“石墨晶须（graphite whiskers）”及其所具有的超高强现象；伦纳德·辛格（Leonard S. Singer）1970年发明了中间相沥青基碳纤维制备技术；他们开创了碳纤维增强复合材料的科学技术基础，是该领域的开拓者。 四、帕尔马技术中心的科学家们开创了高性能碳纤维技术的基础科学研究 19世纪末，美国城市街道的照明靠的是电弧灯。这种灯由两根连接到一个电源上的碳电极组成。带电粒子在两根电极间闪耀放热，形成电弧，释放出强烈的光亮。1886年，美国国家碳材料公司（National Carbon Company）创立，标志着美国合成碳产业的起步，其最早的产品就是电弧灯用的碳电极。1917年，国家碳材料公司与联合碳化物公司（Union Carbide Corp.）合并成立了联合碳化物与碳制品集团公司（Union Carbide & CarbonCorp.）。1957年，美国联合碳化物与碳制品集团公司更名为联合碳化物公司（Union Carbide Corp.）。20世纪70年代末，联合碳化物公司组建了独立的部门生产碳纤维，后该部门被卖给美国国际石油公司（Amoco Corporation），其后，再被卖给美国氰特工业公司（Cytec Industries Inc.）。1995年，联合碳化物公司成立了UCAR碳制品公司（UCAR Carbon Company）；2002年，更名为葛孚特国际公司。 20世纪50年代末，美国联合碳化物公司在克利夫兰市建立了帕尔马技术中心（Parma Technical Center）从事基础科学研究。该中心是个20世纪40-50年代流行的大学校园式企业实验室（university-style corporatelabs），其环境风格简约现代、管理氛围自由宽松，聚集了许多学术背景不同、朝气蓬勃的年轻科学家从事自己喜爱的研究。 （一）罗格·贝肯发现“完美石墨（Perfect Graphite）”，奠定高性能碳纤维技术的科学基础 高性能碳纤维技术的基础科学研究发端于1956年。 1955年，罗格·贝肯（Roger Bacon，1926–2007）（图4）获得凯斯理工学院（Case Institute of Technology）固体物理学博士学位。1956年，他加入帕尔马技术中心，直至1986年。 最初，贝肯的研究目标是测量碳三相点（固、液、气态的热力学平衡点）处的温度和压力，这需要在近100个大气压（atm）和3900开氏度（K，约3626.85°C）的条件下进行测量。他用的实验装置与早期的碳电弧灯原理相同，区别只是运行压力更高。研究过程中，他发现，当压力较低时，直流碳弧炉负极上的气态碳生长成了石笋状的长丝。这些长丝就是呈稻草状嵌入到沉积物中的石墨晶须。石墨晶须最长有1英吋（2.54cm），直径只有人的头发的十分之一，却可承受弯曲和扭结而不脆断，其特性令人惊奇。 1960年，贝肯在《应用物理（Journal of Applied Physics）》杂志上就此发表了论文，成为了高性能碳纤维技术基础研究史上的里程碑。贝肯认为，石墨晶须是石墨聚合物，是一种纯粹的碳形式，碳原子排列在六角型的片体中；它是卷起来的石墨片层，其中，晶体学的c轴正好垂直于旋转轴；其柱面的横截面呈圆形或椭圆形。氩气环境中，92atm、3900K（开氏度，约3626.85°C）下，可制成石墨晶须。其拉伸强力、弹性模量和室温电导率分别为20GPa、700GPa和65μΩ·cm，与单晶相似。所以，它虽然不是单晶，但是，它沿长丝轴向表现出了单晶的性状。1960年，贝肯关于石墨晶须的发现发明获得了美国专利（专利号：2957756）（图5）。贝肯当时认为，制备石墨晶须还只是实验室成果，要利用其原理制造出有实用价值的碳纤维，路还很长。 此后十几年的研究，就是要获得低成本、高效率生产具有石墨晶须特性的高性能碳纤维技术。 图5 罗格·贝肯石墨晶须发现和制备石墨晶须的技术发明获得的专利 发现石墨晶须及其特性并发明实验室制备石墨晶须方法的60年后，2016年10月25日，罗格·贝肯入选美国国家发明家名人堂（National Inventors Hall ofFame）。 （二）高强高模碳纤维技术的进步与早期商业化应用 1959年，帕尔马技术中心的科学家们就发明了高性能人造丝基碳纤维的制备技术。加利·福特（Curry E. Ford）和查尔斯·米切尔（Charles V. Mitchell）发明了3000°C高温下热处理人造丝制造碳纤维的工艺技术，生产出了当时强度最高的商业化碳纤维，并获得了专利（专利号：3107152）（图7）。美国空军材料实验室（U.S. Air Force MaterialsLaboratory）很快就采用这种人造丝基碳纤维作为酚醛树脂的增强体，研制了用于航天器热屏蔽层的复合材料。其作用是，返回大气层时，导弹或火箭壳体与大气剧烈摩擦，表面形成高温，酚醛树脂吸热后缓慢分解，碳纤维使酚醛树脂不被烧毁，保证弹箭完成大气层中的行程。1963年，碳纤维增强树脂复合材料技术研究取得实质性突破，复合材料技术跨入“先进复合材料”时代。此前，树脂基复合材料的增强体一直被玻璃纤维和硼纤维垄断。相较玻璃纤维和硼纤维，碳纤维作为增强体，性价比更佳。 1964年，卫斯理·沙拉蒙（Wesley A. Schalamon）和罗格·贝肯一起，发明了商业化制造高模量人造丝基碳纤维的技术；2800° C以上高温下“热拉伸（hot-stretching）”人造丝，使石墨层取向与纤维轴向几乎平行；技术关键是，在加热过程中拉伸纤维，而非在达到高温之后再进行拉伸。这种工艺使纤维模量提高了10倍，是制备具有与石墨晶须相同性能的碳纤维的关键一步。1965年末，采用该技术制造的Thornel 25牌号的碳纤维投入市场。此后10多年里，美国联合碳化物公司采用高温热拉伸工艺研发出了一系列高模量碳纤维，Thornel系列产品的模量达到了830GPa。沙拉蒙和贝肯的这项发明于1973年获得了专利（专利号：3716331）。 （三）伦纳德·辛格发明中间相沥青基石墨纤维制造技术 高温热处理过程中，材料内部结构会从无序变为有序。含碳物质，1000°C下，可被碳化成含碳量约99%的碳材料；2500 °C时，可被碳化成含碳量100%的碳材料。 然而，并非所有含碳物质经高温热处理后，都能得到真正的石墨。只有那些结构足够有序、可形成石墨晶须的含碳物质，才能经高温热处理制成具有高导热、高导电和高硬度等特性的纯石墨。聚丙烯腈和人造丝都不属于这类含碳物质，故不可能经高温热处理制成石墨纤维。要制造更高性能的碳纤维，必需一种新材料作为前驱体。 伦纳德·辛格（Leonard S. Singer，1923-2015，图9）为此开辟了道路。20世纪50年代中期，辛格从芝加哥大学（University of Chicago）获博士学位后，加入帕尔马技术中心，从事电子自旋共振研究。 虽然没有任何碳或石墨研究经验，但他却试图研究碳化的机理。加热石油和煤等原料，就产生了沥青样物质。石油基和煤基沥青是制造碳和石墨制品的基础原料。沥青含碳量90%以上，远高于人造丝和丙烯腈。它们是分子量分布很广的数百种芳烃类物质构成的复杂混合物，是重要的高碳含量前躯体有机物。同期，有研究表明，这类混合物中的多数物质是各向同性的，通过进一步聚合，可使其分子以分层的形式得以取向。 1970年，辛格解决了制备高模量沥青基碳纤维的关键技术；其技术核心是，液晶或中间相是实现高模特性的关键。中间相沥青重量的80-90%可转化为碳，且具有极佳的导热、导电、抗氧化、低热膨胀率等性能。他成功地将原料沥青处理成了中间相或液晶态沥青，进而通过流动和剪切使其实现取向。辛格和助手艾伦·切丽（Allen Cherry）设计了一台“太妃糖牵引（taffy-pulling）”机，并用它给粘稠的中间相沥青施加张力，使其分子重新排序，然后进行热处理。这项技术取得了成功，他们制得了高度取向的石墨纤维。1975年，联合碳化物公司开始商业化生产Thornel P-SS牌号的连续长丝；1980-82年，其模量已达690-830GPa。1977年，辛格获得了石墨纤维及其制造工艺的专利（专利号：3919387）（图10）。美国空军材料实验室（AFML）和美国海军（NSSC）资助了辛格的研究。 图10 伦纳德·辛格制备高中间相含量沥青纤维的专利 沥青虽是一种相对廉价的原料，但其制成的碳纤维，成本差异却非常大。模量较低、非石墨化、较廉价的中间相沥青基碳纤维，用于制造飞机刹车片和增强水泥。具有超高模量和超高热导率等高端性能且成本昂贵的中间相沥青基石墨纤维，被用于制造火箭喷管喉衬、导弹鼻锥和卫星结构等关键零部件，是不可替代的关键航天材料。 五、美国聚丙烯腈基碳纤维技术的错过与回归 人造丝、聚丙烯腈或沥青，是碳纤维的三大前驱体。其中，丙烯腈基碳纤维（Polyacrylonitrile ‹PAN›-based Carbon Fibers）的综合性能特别突出，已在许多领域取代了人造丝基碳纤维。碳纤维性能得以跨越式提升的原因，就是发明了更好的丙烯腈纤维。英国和日本的科学家最先研发出了纯丙烯腈聚合物，加工中，其分子链中连续的碳原子和氮原子链可形成高度取向的石墨样层，从而降低了对热拉伸的需求。 1941年，美国杜邦公司发明了丙烯腈纤维技术。1950年，杜邦公司开始商业化生产“奥纶（Orlon）”品牌的丙烯腈纤维。1944-45年，联合碳化物公司的温特（L. L. Winter）就发现了丙烯腈在灰化温度下不熔融的特性，并认为其可被制成纤维形态的碳材料。1950年，胡兹（Houtz）发现，在空气中、200°C下热处理丙烯腈纤维，制得的产品具有很好的防火性能。后来，类似的产品被称为“黑奥纶（Black Orlon）”。原本，这些发现应该是研发高性能PAN基碳纤维技术的出发点，但由于过度关注人造丝基碳纤维技术研究，美国科学家们错过了PAN基碳纤维技术的发展机遇。 在西方科学家几乎不知情的情况下，日本科学家一直在默默地开展PAN基碳纤维技术的研究。1961年，日本产业技术综合研究院（Government IndustrialResearch Institute）的進藤昭男（Akio Shindo），在实验室中制得了模量140GPa的PAN基碳纤维，高出人造丝基碳纤维模量的3倍。進藤昭男的发明得到了日本科学届和工业届的迅速推广，日本东丽工业公司（Toray Industries）开发了性能极优异的丙烯腈原丝，并建立了碳纤维中试工厂，从此占据了PAN基碳纤维技术的领导地位。1970年，日本东丽公司与美国联合碳化物公司签署技术合作协议，后者以碳化技术交换前者的丙烯腈原丝技术，并很快生产出了高性能PAN基碳纤维，从而把美国带回了碳纤维技术的前沿。 六、结论 综观美国碳纤维技术的早期发展历程，以下规律和事实值得注意： （一）碳纤维诞生于电光转换装置的产品发明。 19世纪中后期，是科学革命和工业革命的成果爆发期，大量的科学发现和技术发明涌现出来，为人类社会进入现代化时代贡献了文明成果。碳纤维技术正是在这样的时代背景下产生的。为了点亮暗夜，斯万和爱迪生发明了将电转化为光的电灯，作为电灯的发光体，碳纤维悄然诞生。 初生的碳纤维，并不引人瞩目。因为，电灯是那时人们关注的焦点。尽管碳纤维的重要性被暂时忽略，但只要是有生命力的事物就一定会走上出生、成长、成熟、衰亡和重生的规律性过程。技术、产品与生物体一样。 （二）高性能碳纤维技术诞生于基础研究的科学发现。 石墨晶须，及其特性和微观结构，是在基础科学研究中发现的。这一发现，为高性能碳纤维制造技术研究提供了方向和目标。20世纪50-70年代，基础科学研究的发现和大量工程技术的发明，对于高性能碳纤维技术的成熟和完善，功不可没。 （三）高性能碳纤维技术领域存在着“美日同盟”。 日本科学家進藤昭男之所以萌生开展碳纤维研究的念头，是因为受到了美国该领域技术进展报道的启发。日本东丽公司成功实现PAN基碳纤维商业化后，与美国联合碳化物公司签署原丝与碳化技术互换协议，使两家公司同时拥有了高性能碳纤维生产的全过程技术。此后，其它日本公司也生产出了性能优异的丙烯腈纤维前驱体。日本住友公司（Sumitomo Corporation）为美国赫尔克里斯公司（Hercules Incorporated）提供丙烯腈纤维前驱体，并经英国考陶尔斯公司（CourtauldsPLC）授权生产碳纤维。1美日技术合作使高性能碳纤维技术得以快速研发并广泛应用。今天，美国波音飞机采用的都是日本东丽公司生产的碳纤维。2015年，日本东丽公司又把从丙烯腈原丝到碳化的全过程碳纤维生产工厂建在了美国，以满足波音公司生产先进飞机对碳纤维快速增长的需求。美日的技术互动，是推动高性能碳纤维技术不断向前沿发展的重要因素之一。
    413浏览量
    原文链接

  • 《徐坚教授领衔回顾：2019全球先进纤维复合材料研发热点》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-03-19
    • 高性能纤维复合材料作为典型的先进纤维复合材料，无论在军用还是民用领域都拥有极为广泛的应用前景，近年来已成为世界各国研究的热点和重点。 在徐坚教授的带领下，材料委天津院前沿材料团队及中国科学院化学所对2019 年全球范围内高性能纤维复合材料在新产品、新工艺以及新市场等方面取得的科技进展进行了回顾。 作者简介： 徐坚，深圳大学特聘教授，国家新材料产业发展战略咨询委员会常务副主任 聂铭歧、王熙大、季俊娜、王亚会、李林洁，材料委天津院前沿材料团队行业分析师 朱才镇，深圳大学特聘研究员 刘瑞刚，中国科学院化学研究所研究员 美国科技进展 1.美国陆军研究实验室研发出一款轻型战斗装甲 2019年9月，美国陆军研究实验室表示正在通过将超高分子量聚乙烯与氧化硅纳米粒子结合的一种新技术制备用于防弹衣的新材料，这种新材料具有更高的强度，是吸收子弹和其它弹壳撞击的理想材料。2019年11月，美国官员表示，目前美国特种部队正在对一款轻型战斗装甲进行测试，它是之前“战术突击轻型行动服（TALOS）”的项目成果之一，这款轻型装甲是一种“轻型聚乙烯肢体防护装甲”，既强固又轻巧，比现行的标准防护装备轻了25%，这款新型的战斗装甲与现役的标准步兵防弹服（身体覆盖率19%）相比，身体覆盖率达到44%以上，能有效保护士兵的肩膀、体前侧、前臂和跨部。 2.AFRL研制出一种定制化直接喷墨3D打印设备 2019年3月15日，美国空军研究实验室（AFRL）与阿肯色大学、迈阿密大学合作开发出3D碳纤维/环氧树脂复合材料，研制出一种定制化直接喷墨3D打印设备，可用于加工航空航天领域的短纤维环氧树脂复合材料结构件，这种材料的开发为下一代多功能无人飞行器结构零件的制造提供了技术支持。 3.美国通用汽车开始在两款车上使用碳纤维车厢 在汽车领域，美国通用汽车公司于2019年宣布开始在通用Sierra皮卡“GMC Sierra Denali 1500”和“GMC Sierra AT4 1500”中使用碳纤维车厢，该皮卡车厢（CarbonPro）由通用公司与帝人联合开发，是世界上首次将碳纤维增强热塑性塑料用于大批量生产的汽车结构部件，这款“CarbonPro”与其他皮卡车厢相比，重量减少了约25%，且具有一流的抗凹痕、耐刮擦和耐腐蚀性。 4.美国莱斯大学Ajayan团队研发出一种新型层状复合材料 2019年6 月，美国莱斯大学的Ajayan团队研发了一种高介电、高导热以及耐高温芳香聚酰胺纤维增强的层状复合材料。该材料介电常数最高可达6.3，导热系数最高可达2.4 W·m﹣1·K﹣1，击穿强度可高达292MV ·m﹣1，杨氏模量达到 11GPa，有望应用于高温储能器件中。 5.佐治亚理工学院Kumar 团队成功制备质量分数超过40%的CNC纤维 2019年1月，佐治亚理工学院的Kumar 团队采用聚丙烯腈（PAN）纤维为原料，成功制备了质量分数超过40%的纳米微晶纤维素（CNC）碳纤维。PAN/CNC 基碳纤维的拉伸强度在1.8~2.3 GPa 范围内，拉伸模量在220~265 GPa范围内。 日本科技进展 6.东丽公司研制出世上首个具有纳米级连续孔结构的多孔碳纤维 2019年11月18日，东丽公司通过自身的聚合物技术和纤维技术，研制出世界上第一种具有纳米级连续孔结构的多孔碳纤维，并且可以利用自身的技术确保孔隙的均匀分布以及定制多孔结构的固定尺寸，这种纤维材料结构紧密且质轻，具有优异的化学稳定性和透气性，可以用来制作先进膜材料的支撑层，实现更具有环境友好性的天然气和沼气净化、温室气体分离以及安全制氢。 7.帝人公司研发出一种新型碳纤维增强BMI预浸料 2019 年3月4 日，帝人公司宣布研发出了一种新型碳纤维增强双马来酰亚胺树脂（BMI）预浸料，这种预浸料具 有高达280℃的玻璃化转变温度，以及较高的冲击后抗压强度和较小的线性热膨胀系数，是日本首个兼具高耐热性和高耐冲击性的BMI 预浸料，为航空航天发动机零部件的生产提供了新的思路。 8.帝人汽车复合材料集团开发出一种多材料复合材料汽车门概念 2019年3月6日，帝人汽车复合材料专业集团开发出了一种多材料复合材料汽车门概念，这款多材料侧门模块由碳纤片状模塑料（SMC）、玻璃纤 维SMC 和单向玻璃纤维增强塑料（GFRP）制成，具有高强度、低重量、优异的耐热性和减震性、卓越的设计自由度以及能够实现深拉伸等优点。帝人计划于2025 年推出商用门模块，争取成为多材料汽车零部件的全球供应商。 9.东丽公司成功研发出新型CFRP预浸料和新型预浸树脂系统 东丽公司成功研发出新型航空用碳纤维增强塑料（CFRP）预浸料和高端汽车和赛车用新型预浸树脂系统“东丽TC346”。其中，新型CFRP预浸料适用于真空成型技术，与传统预浸料使用热压罐成型技术相比，能够显著降低制造成本。“东丽TC346”具有优异的机械性能和表面光泽度，是目前性能最高的产品，可以制成各种重量和纤维的单向胶带或织物，广泛应用于赛车变速箱、悬架、机翼和防撞结构。 10.日本大成建设开发出一种超轻型碳纤维复合材料结构部件 2019年10月9日，日本大成建设（Taisei）开发了一种超轻型碳纤维复合材料（CFRP）结构部件—T- CFRP 梁。该T-CFRP 梁重量仅为钢架的1/5，并且可以根据建筑物的应用自由设计构件的刚度、强度和形状。这项技术的开发将应对不断增长的建筑用轻量化构件的需求。 11.日本开始构建碳纤维回收并以低成本再利用的生产机制 日本汽车制造商协会于2019年下半年开始有关如何回收燃料电池汽车中使用的碳纤维增强塑料的基础研究，这项研究旨在通过探索阻燃碳纤维的燃烧机理，为将来报废汽车做准备。2019年9月24日，日本经济产业省与法国政府、欧洲空客发布了关于飞机碳纤维再利用等环保领域的合作战略。日本经济产业省将在碳纤维企业及相关学校的协助下，共同构建碳纤维回收并以低成本再利用的生产机制。 欧洲科技进展 12.英国利物浦公司正式推出采用石墨烯增强碳纤维的“Mono R”跑车 2019年4月7日，英国利物浦公司（Briggs Au- tomotive Company，BAC）正式推出“Mono R”跑车。“Mono R”是世界上第一款在每个车身面板中都完全采用石墨烯增强碳纤维的量产车，石墨烯增强了纤维的结构特性，使面板更坚固、更轻，具有更好的机械和热性能，也使得“Mono R”具有更高性能。 13.法国科纺勒为Arcona Yachts巡洋舰开发碳纤维增强材料 2019年11月，法国科纺勒集团（Chomarat）为瑞典古斯塔夫斯堡（Arcona Yachts）的巡洋舰435型号和465 型号开发了碳纤维增强材料。Cho-marat 为了在浇灌过程中获得更好的渗透性，深入研究了高性能C-PLYTM 的最佳结构，开发出的高性能C-PLYTM 碳纤维非卷曲织物（NCF），使其具有更高的机械性能和与多种树脂的相容性，而且可以实现更优的成本效益。Chomarat 用于巡洋舰的船体和甲板的灌注技术将高达70%的碳纤维掺入层压板中，可带来结构设计优势、优质的表面质量及整体零件成本的缩减。 14.SGL与NIO合作研制电动汽车碳纤维增强型塑料电池外壳原型 2019年，德国西格里（SGL ）为寻求更多的业务发展方式，扩大碳纤维复合材料在更多领域中的作用。2019年4月30日，SGL与上海蔚来汽车有限公司（NIO）合作，共同研制电动汽车碳纤维增强型塑料电池外壳原型，该电池外壳比传统铝或钢制电池外壳轻40%，具有高刚性且比铝的热导率低200倍，能够更好地保护电池本体不受外界冷热的影响。除此以外，复合材料还赋予电池外壳优异的气密性、防水性和耐腐蚀性。 15.TUM团队与SGL专家合作开发出一种超回路列车胶囊舱的优化模型 慕尼黑工业大学（TUM）团队与SGL的专家合作开发了一种超回路列车（Hyperloop）胶囊舱的优化模型，该模型使用了SGL 的预浸碳纤维编织材料，通过设计和材料优化，胶囊舱结构重约5.6kg，与6.1kg的前一型号相比轻了约10%。此外，不同于以前的塑料解决方案，此次运输舱的外壳衬板也完全由碳纤维材料制成，将其重量从1.5kg减少到仅0.7kg。该模型在2019年7月21 日举办的第四届超回路列车（Hyperloop）竞赛中，以463 km/h的速度为其研发团队获得冠军。 16.英国ELG将碳纤维材料回收利用加工成非织造碳纤维毡 2019年12月4日，英国ELG Carbon Fibre公司为助力英力士队参战美洲杯帆船赛，利用制造比赛船只时产生的废料，将其再加工成非织造碳纤维毡，进一步用来制成了两个固定船身的运输托架，这种回收材料性能良好，可直接用于现有工艺， 充分表明碳纤维复合材料可以进行回收再利用，减轻环境负担。 17.ELG与英国哈德斯菲尔德大学铁路研究所合作研发出世界首个碳纤维复合轨道转向架 2019年12月10日，ELG 和英国哈德斯菲尔德大学铁路研究所（University of Hud- dlersfield’s Institute for Railway Research）联合研究并发布了世界首个碳纤维复合轨道转向架，称为“CAFIBO”。该新型转向架完全由剩余和回收的碳纤维材料制成，比常规转向架轻，并具有更优异的垂直和横向刚度。在铁路车辆中使用这种新型转向架可以减少轨道磨损、降低基础设施维护成本、提高可靠性和运营可用性以及节约能源，减缓全球变暖。 18.俄罗斯Anisoprint 公司推出了一种用于连续纤维3D打印技术的新型玄武岩纤维复合材料 俄罗斯的Anisoprint公司于2019年6月推出了一种用于连续纤维3D打印技术的新型玄武岩纤维复合材料（CBF），用这种材料打印的零件，强度是塑料的30 倍、铝的2倍，比重也更轻。德国Lipex Engineering GmbH公司在俄罗斯投资5000万欧元，开始建立玄武岩纤维生产线，以满足玄武岩纤维快速增长的市场需求。 19.SGL与NCC将合作开发下一代复合材料生产技术 2019年5月2日，德国西格里公司（SGL）与英国国家复合材料中心（National Composite Center, NCC）达成合作协议，双方将针对航空、交通运输和油气等领域的市场需求，共同开发下一代复合材料生产技术，提升一级和二级结构件中复合材料的使用率。目前，双方已经利用NCC位于英国布里斯托的实验设备开展碳纤维织物（包括无卷曲布等）先进加工工艺的项目研发，下一步将利用SGL 集团所提供的碳纤维无卷曲布生产出复合材料机翼样件。 20.SGL与Solvay计划将首个用于商业航空的复合材料推向市场 2019年12月3日，SGL与Solvay达成一项联合开发协议。该协议计划将基于大丝束中模量（IM）碳纤维的首个用于商业航空的复合材料推向市场，这些材料将基于SGL的IM 碳纤维和Solvay的主结构件树脂系统，帮助满足降低成本和二氧化碳排放量的需求， 并改善下一代商用飞机的生产工艺和燃油效率。 21.德国拜罗伊特大学Greiner团队制造出多纤维 PAN 纱线 2019年12月13日，德国拜罗伊特大学高分子化学和聚合物研究所Greiner团队在《Science》发表了《High strength in combination with high toughness in robust andsustainable poly- meric materials》的研究文章，通过改进分子交联， 克服了人造纤维材料强度和韧性的冲突，制造出多纤维 PAN 纱线，韧性高达（137±21）J/g、拉伸强度为（1236±40）MPa。 中国科技进展 22.国内率先实现干喷湿纺T1000 级超高强度碳纤维工程化 2019年10月29日，由中复神鹰牵头，东华大学和江苏新鹰游机械有限公司共同承担的“QZ6026（T1000 级）超高强度碳纤维百吨级工程化关键技术”顺利通过了技术鉴定，率先在国内实现了干喷湿纺T1000级超高强度碳纤维工程化，将来可以为更多的国产先进武器和设备提供高性能纤维材料。 23.世界上首条全线路采用碳纤维复合芯导线的特高压工程在内蒙古正式并网投运 2019年12月13日，世界上首条全线路采用碳纤维复合芯导线的特高压工程在内蒙古正式并网投运，该工程线路全长14.6km，全部采用中国自主研制的碳纤维复合芯导线，与传统的钢芯导线相比，碳纤维复合芯导线具有重量轻、强度高、安全性好、导体导电率高、传输损失小等优点。该线路的投运不仅可以节约能源，降低运行成本还可以每年增加132万kW/h 的输送电量，以缓解用电紧张问题。 24.中国首辆采用氢能碳纤维车身的乘用车研制成功 在汽车领域，2019年3月20日，中国首辆采用氢能碳纤维车身的乘用车在“中国光谷”研制成功，该车搭载全球领先技术的氢燃料电堆，续航里程可达1000km以上，全身采用碳纤维材料，使车身结构更轻更强韧、汽车更加轻量化。该车预计于2020年在中国一线城市推广。 25.光威交付首架采用大量碳纤维复合材料的无人机 2019年12月6日，威海光威复合材料股份有限公司向航空工业直升机设计研究所交付了首架AV500B/C无人机，该无人机的蒙皮（蜂窝和泡沫夹层结构件）、整体油箱承力结构、尾梁整体结构和层压件、封闭腔型结构件等零件，采用了大量由光威复材自主研制的碳纤维复合材料，极大地提高了无人机巡航能力和机动灵活性。该系列无人机主要应用于军用市场，也可通过改装用于其他民用领域，具有巨大的市场潜力。 26.科研人员对PAN基碳纤维的结构与性能相关性研究有新发现 在PAN基碳纤维的结构与性能相关性研究方面，科研人员发现对于模量大于 350GPa的PAN 基碳纤维，石墨化程度的提高对模量的提高关系不大，而主要来源于碳纤维中石墨晶体中的石墨片层的规则排列和石墨晶体的尺寸增长以及石墨晶体取向度的增大；对于PAN 基碳纤维的强度而言，石墨晶体之间相互纠缠和石墨片层之间的缺点则可以有效使碳纤维在牵伸过程中应力的分散，从而提高碳纤维的强度。此外，碳纤维中的任何缺陷结构，包括微孔、皮芯结构等均导致碳纤维性能降低，理想的PAN基碳纤维结构应均匀，尽量减少皮芯结构等缺陷。 27.四川玻纤集团、川大等共同研发出连续玄武岩纤维单元池窑生产技术并中试 2019年3月29日，四川省玻纤集团有限公司联合四川大学、西南科技大学共同研发出了连续玄武岩纤维单元池窑生产技术，投产运营了中国具有完全自主知识产权的第一条年产8000t 连续玄武岩纤维池窑拉丝中试生产线。该生产线已经成功生产出9~17 μm多个规格的连续玄武岩纤维，相比传统坩埚法工艺降低了20%以上的生产成本，为国内连续玄武岩纤维的发展奠定了技术基础。 28.内蒙古石墨烯材料研究院与清华大学共同研发的国产化对位芳纶顺利投产 2019年11月23日，由内蒙古石墨烯材料研究院与清华大学共同研发的国产化对位芳纶，经过3个多月的调试运行，顺利建成了年产100t 的对位芳纶生产线，成功打破了国外对芳纶技术垄断，加速推进了国内对位芳纶的产业化进程。 29.陕西科技大学张美云团队研究出ANFs高效、高性能制备方法 但是传统芳纶纳米纤维（aramid nanofibers，ANFs）制备方法存在周期长（7 d）、反应浓度低（0.2%）、反应效率低等问题，严重困扰着ANFs 规模化应用与发展。陕西科技大学张美云团队为解决这一问题，利用原纤化/超声/质子供体耦合去质子化法制备ANFs，使得ANFs 制备周期从传统的7d缩短至 4h，制备的ANFs 具有小的直径及尺度分布（10.7±1.0）nm，同时也探究了高浓度ANFs的制备，在12h内即可制得4.0%的高浓ANFs，成膜具有优异的机械性能与热稳定性，本研究提出的ANFs高效制备方法工艺简单、性能优异，有望进一步推动其规模化生产与产业化应用。
    443浏览量
    原文链接