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前沿技术 | 超纤维及其先进复合材料的最新进展

前沿技术 | 超纤维及其先进复合材料的最新进展

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超纤维及其先进复合材料是当代超材料的重要组成部分,是未来新一代航空航天、国防军工和尖端科学的先导和保障材料。所谓超纤维及其复合材料,是指在性能和功能上具有突破性进展的超级材料,并越来越接近于其理论值的新型材料,当然也包括新出现的超纤维及复合材料。从上述意义上来说,这类材料是动态的,随着科技的发展,将不断更新换代。

1  无机类超纤维及其复合材料

超碳纤维及其复合材料

碳纤维(CF)被誉为“新材料之王”,目前已商品化的产品最高强度为7 GPa,我国刚突破的研发水平为6.3GPa。最新研发成功的超碳纤维(UCF)是日本东丽TORAYCA®的T2000,强度高达60GPa,相当于碳纤维理论值(180GPa)的1/3。

T2000的出现使CF从断裂伸长率为2.2%的脆性材料提升为2.5%以上的高韧性防弹材料,当其复合材料用作坦克和装甲车的结构材料时,防穿甲弹能力可提高6倍,因此可用作未来超现代化的军舰和战斗机等新型武器系统以及运载火箭和导弹的壳体结构材料。

TORAYCA®碳纤维纱/布

超级中间相沥青基碳纤维(U-MPCF)及其复合材料

U-MPCF是已产业化的碳纤维中拉伸模量和导热系数最高的产品,两项指标分别达到了935GPa和900W/(m·K),专利上发表的上述两个值分别超过1 000GPa和1 000W/(m·K),主要用于需要耐高温、抗燃、高刚性、热膨胀系数小和耐宇宙射线的领域,例如卫星天线板等。

各类MPCF增强热塑性树脂制品

目前市场上已开发出超高导热系数系列产品,以日本Granoc纤维为例,其导热系数有320、500、600和900W/(m·K)等几种。

日本三菱树脂公司的U-MPCF为该类纤维的最高性能水平产品,包括:拉伸强度3.8GPa,拉伸模量900GPa,断裂伸长率0.4%,导热系数620W/(m·K);或拉伸强度3.7GPa,拉伸模量935GPa,导热系数800W/(m·K)。

目前,我国湖南大学、北京化工大学及多家企业正开展相关纤维的中试研究,预期“十三五”期间将建设百吨级生产线。

2   聚对亚苯基苯并二噁唑纤维

PBOF是综合性能极佳的超纤维,拉伸强度5.5~6.0GPa,模量300GPa,热分解温度650℃,在500℃下暴露1h可保留80%的初始模量,而对位芳香族聚酰胺纤维在450℃便分解,极限氧指数(LOI)达到68,可用于体育、工业及防护领域。美国国家航空航天局(NASA)将其用于火星表面探测器吊带,长20m。该纤维的主要缺点是紫外光稳定性和储存稳定性差,改进方法是在其苯环上引入羟基或进行共聚改性。

 

目前只有日本东洋纺有400 t/a的PBOF产能,其产品商品名为“Zylon”。我国约有 6 家单位研制,其中中蓝、晨光化工研究院正建设350 t/a的生产线,中试产品强度可达 6 GPa;浙江工业大学和北京化工大学正与相关企业合作,分别兴建300和100 t/a的生产线。