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中科院宁波材料所钱鑫博士带你了解国内外PAN基高模量碳纤维的最新技术现状与研究进展
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作为复合材料重要的增强体，高模量碳纤维因为其优异的力学性能，被广泛应用于航空航天等高科技领域。 01 高模量碳纤维 高模量碳纤维是指弹性模量超过350 GPa的高性能碳纤维。长期以来，国外的高模量碳纤维处于领先地位，近年来我国在高模量碳纤维制备技术领域取得了长足的进步，与世界顶级水平的差距正在不断地减少。 02 高模量碳纤维的需求 航天器结构的设计主要以刚度为主，在满足运载载荷、空间环境等条件的情况下，航天器结构设计主要以提高主结构刚度、太阳翼框架刚度、天线桁架刚度等为设计目标。所以，在考虑满足成型工艺、纤维与基体界面性能等基础上，PAN基碳纤维在卫星制造领域以高模量牌号为主要选型依据，以达到结构减重的目的。因此，特征模量达到500 GPa以上的PAN基高模量碳纤维仍将是未来卫星制造用高性能碳纤维产品的主要发展方向。 03 高模量碳纤维的应用 PAN基高模量碳纤维复合材料具有比刚度高、尺寸稳定性好、耐烧蚀性强及可整体设计等优异特性，是现有和未来卫星主体结构、功能结构、防护结构和辅助结构上不可替代的关键材料。 目前，碳纤维材料已广泛应用于国内外各类卫星结构产品。已成功应用于国内外几种典型的卫星结构产品，如承力筒、结构板等主承力结构，光学平台、高精度桁架等尺寸稳定性结构，以及对地观测相机镜筒、天线反射面等卫星载荷结构。 04 国内外发展现状 目前国外已经商品化的PAN基高模量碳纤维产品中最高模量为日本东丽M60J纤维的588GPa。虽然日本东丽公司已经突破M65J级碳纤维制备技术，但同样属于小试产品，未真正形成大规模生产，因此产品关键参数尚不明确；此外，日本帝人公司（原东邦）UM68纤维拉伸模量650GPa（强度3.33GPa）同样属于小试产品，未实现商品化。 在国外最新技术进展领域，随着近年来中国在高性能碳纤维领域技术突破，国外碳纤维企业如日本东丽、美国Hexcel等公司不断加强关键技术研发，先后实现了M40X（拉伸强度5700 MPa、拉伸模量377 GPa，2018年11月技术突破、尚未商品化）、HexTow® HM50（拉伸强度5723 MPa、拉伸模量345 GPa，2019年商品化）、HexTow® HM54（拉伸强度4826 MPa、拉伸模量372 GPa，2020年商品化）等PAN基高模量碳纤维关键技术。 中科院宁波材料所自2014年开展PAN基高模量碳纤维的国产化关键技术研发，2016年1月、2018年3月分别在国内率先实现CNI QM55（M55J级）、CNI QM60（M60J级）高模量碳纤维关键技术突破；2020年6月成功研发了拉伸模量630GPa以上的CNI QM65（M65J级）高强高模碳纤维，标志着在高强高模碳纤维制备技术领域，国内已经由长期跟跑实现了并跑，宁波材料所国产高强高模碳纤维领先的制备技术将进一步带动国内在该领域的创新发展。 图片 为了更好地了解国内外PAN基高模量碳纤维的最新技术现状与研究进展，2021年11月18-20日在上海举行的“Carbontech第六届碳纤维复合材料论坛” 特邀 中科院宁波材料所高级工程师钱鑫莅临本次大会，分享《国内外PAN基高模量碳纤维的最新技术现状与研究进展》主题报告。 图片 本报告概述了国外在PAN基高模量碳纤维领域的发展历程以及近几年的最新进展，分析了国内在PAN基高模量碳纤维领域的技术现状，并针对近几年国内在突破国产M55J级高模量碳纤维技术基础上开展的系列基础研究工作进行了综述。对国内高模量碳纤维领域存在的主要问题进行了总结。 05 专家介绍 钱鑫，博士，中科院宁波材料所高级工程师、硕士生导师，“碳纤维及其复合材料技术”微信公众号主编。长期从事高性能碳纤维及其复合材料领域相关研究工作，作为团队核心骨干先后参与了T800级及以上中模碳纤维、M50J/M55J级及以上高模碳纤维以及M40X型新型高模碳纤维的国产化关键技术攻关，在成果方面以第一作者及通讯作者在Compos. Part B、Compos. Part A、Appl. Surf. Sci.、J. Raman Spectrosc、J. Reinf. Plast. Compos.、无机材料学报、材料工程等国内外核心期刊及会议发表学术论文40余篇；申请国家发明及实用新型专利近30项；参与编写《碳纤维复合材料轻量化技术》专著1部；参与并主持多项国家、省部级项目，主持在研项目经费300余万元。 |
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