对中国高模量碳纤维应用中工艺性能问题的分析

对中国高模量碳纤维应用中工艺性能问题的分析

夏英伟沃西源

（北京空间机电研究所，北京100076）

摘要文章简述了航天器结构对高模量碳纤维需求，对中国高模量碳纤维品质稳定性、工艺稳定性等内容进行了简要评述，着重对中国高模量碳纤维工艺性能做了分析，并对加强中国高模量碳纤维批生产提出了建议。

关键词高模量碳纤维工艺性能问题分析

中图分类号：V25

文献标识码：A 文章编号：1009-8518（2011）03-0083-05The Operation Performance Analysis on High-module Carbon Fiber

Application in China

Xia Yingwei Wo Xiyuan

(Beijing Institute of Space Mechanics &Electricity,Beijing 100076,China)

Abstract The paper introduced the requirements for high-module carbon fiber in a spacecraft structure and the fiber ’s quality stabilization and operation performance.Then the paper mainly analyzed the operation performance of high-module carbon fiber in China.Finally,it proposed to enhance the production of the carbon fiber in this paper.

Key words High-module carbon fiber Operation performance Problem analysis

1引言

现今先进复合材料在航天器上用量多少已成为衡量航天器先进性的重要标志之一，碳纤维复合材料在我国航空航天领域应用获得了显著效果。碳纤维生产工艺流程长，技术关键点多，是多学科、多技术的集成，为了实现可持续发展和独立自主发展，我国自2003年起对高模量碳纤维的研究步伐明显加快，已经取得一定突破。目前国内北京化工大学、山西煤化院等单位，经多年努力奋战和技术攻关，已基本突破高模量碳纤维生产关键技术，分别建成了高模量碳纤维生产线，初具小批量供货能力[1]。试制的碳纤维力学性能、物理性能、工艺性能等已基本达到日本东丽公司M40碳纤维水平，但数据离散性较大、批次稳定性较差，碳纤维与树脂基体相容性等项目有待进一步考核，总的来看国产高模量碳纤维已有较好研制基础。本文着重对国产高模量碳纤维工艺性能等方面进行分析，提出一些建议，使碳纤维品质保证、生产与应用密切结合，从而缩小国产高模量碳纤维与日本东丽公司生产的碳纤维的差距，为我国航天器和空间光学遥感器结构先进复合材料国产化和扩大其应用范围做出新成绩。

收稿日期：2011-02-08

基金项目：国家重大科技专项工程

第32卷第3期2011年6月航天返回与遥感

SPACECRAFT RECOVERY &REMOTE SENSING 83

2航天器结构对高模量碳纤维及其复合材料的需求分析

航天器结构尤其是空间光学遥感器结构具有高结构刚度、高结构稳定性、良好的空间环境性能、轻质等特点，要求其结构材料具有高比模量、高比强度、低膨胀系数、尺寸稳定性好等特性。

2.1航天器结构高刚度要求

航天器在发射过程中受到很大的加速度过载和强烈的震动，对航天器主结构的刚度要求较高，与此同时由于运载能力的限制，还要对航天器的结构质量进行限制，高模量碳纤维复合材料是航天器结构同时满足上述要求的最佳材料之一。

在轨工作状态下的航天器通常带有一些大型的次级结构，如太阳翼、天线、空间光学遥感器结构等，要求使用高模量碳纤维复合材料以提高结构刚度，避免基频过低对航天器控制系统造成干扰，增加控制难度甚至引起失效。

2.2航天器结构轻型化要求

航天器结构对刚度、强度及使用环境与航空结构的要求有明显差异，为了减轻结构质量，增加有效载荷，使结构壁厚优化到最小，航天器结构在选用材料时一般采用比刚度较大的高模量碳纤维复合材料薄壁结构以满足刚度要求，航天器结构常用的材料性能参数见图1，其中横坐标表示材料的拉伸模量E 1与密度ρ比值即比刚度，纵坐标表示材料的拉伸强度σ1T （b ）与密度ρ比值即比强度。

图1各种材料性能比较

由图1分析可见，航天器结构材料应用中，常规铝合金性能较差，将逐渐被新型结构材料所代替；铍具有优异的力学性能和物理性能，在航天器上已有应用，但其加工性能较差，成本较高，特别是环境污染，使其应用受到一定限制；钛合金具有优越的耐热性能，在航空、航天飞行器中应用较成熟，但其比刚度和比强度均不及碳纤维复合材料；玻璃纤维复合材料由于比刚度低，不适宜用于航天器主要结构材料，已逐渐减少或被取代；凯夫拉纤维复合材料具有高强、低膨胀系数等优点，在航天器结构有一定应用价值，但由于其较低的比模量和低的压缩强度，使其应用也受到一定限制；此外，碳化硅纤维复合材料适宜于制造金属基复合材料，可用于耐高温复合材料结构，目前在航天器中已有应用。综上所述，今后航天器结构主要结构材料，将是碳纤维复合材料，更确切地讲大多数是高模量碳纤维复合材料。

（E 1/ρ）/（106m 3Pa/kg ）

ρ(σ1T (b )/ρ)/（103m 3P a /k g ）2000

1500

500

050100150200250300

1000航天返回与遥感2011年第32卷84

3碳纤维的品质稳定性

碳纤维的品质稳定性主要指力学性能稳定性（通常用碳纤维复丝的拉伸强度和拉伸模量的离散系数来表示）、物理性能稳定性（通常用碳纤维的线密度来表示）。碳纤维力学性能稳定性直接影响到其复合材料的稳定性。对于结构复合材料，特别是主承力结构复合材料，为保证高可靠性要求，除了材料性能指标要求高外，更重要的是性能数据的稳定性[2-3]。根据复合材料结构特点，结构设计时通常考虑许用应力值。碳纤维力学性能优劣不仅取决于碳纤维复丝性能的平均值，且与其分散性有关。碳纤维复丝性能分散性较大时，其复合材料的许用应力值相对就小，复合材料的离散性小，设计的许用应力值就大，由此可起到减轻航天器结构质量、提高性能、节约能源、降低成本等效果。复合材料许用应力值的计算式为

式中为许用应力；X 为材料应力平均值；K 为随试样数量和构件不同系数；为离散系数。

据资料报导，日本东丽公司20世纪80年代初，由于当时生产的碳纤维性能还比较低，离散系数较大。随着使用和改进，性能得到逐渐提高和稳定。例如在我国使用最为广泛的T300碳纤维的拉伸强度从20世纪80年代初约3000MPa ，逐步提高至今天3800MPa [3]。碳纤维的品质稳定性也在不断改进提高，拉伸强度离散系数由7%降低至4%，拉伸模量离散系数从5%降至约3%，线密度离散系数小于1%，与此同时还对同种规格不同批次的碳纤维稳定性要求提出了相应考核指标。

4碳纤维工艺性能

为确保碳纤维工艺性能，美国波音公司对碳纤维丝束物理性能和力学性能进行了检测，主要检测项目有：碳纤维的密度、碳纤维丝束的线密度、上浆剂含量、碳纤维的打捻数、抗拉强度、弹性模量和断裂应变。

此外对取样方法、每批的取样数都有规定。为了便于跟踪，还应有碳纤维供应厂商记录、碳纤维批次号和碳纤维筒号，且在工艺控制文件中列出工艺参数的控制范围等，上述内容在我国高模量碳纤维研制中可借鉴。

当前国产高模量碳纤维尚处于研制阶段，从今后实际应用考虑，仅考核碳纤维基本力学性能是不够的，所以对复合材料力学性能、物理性能和工艺性能进行全面考核是必要的。从碳纤维到碳纤维复合材料，均要经历制备预浸料这一工艺过程。目前航天领域制备预浸料大多仍采用湿法（滚筒法），其工艺过程见图2。国外除实验室有使用滚筒法制备预浸料外，已广泛采用干法（热熔法）制备预浸料，其工艺过程见图3。

图2预浸料湿法成型示意图

图3预浸料干法成型示意图

)

1(áKC X ????v C 第3期夏英伟等：对中国高模量碳纤维应用中工艺性能问题的分析85

随着制备预浸料技术发展和碳纤维复合材料品质稳定性和可靠性要求，我国航空系统已广泛采用热熔法。采用热熔法制备预浸料工艺对碳纤维的要求较滚筒法高，从发展需求分析，为了严格控制碳纤维预浸料的品质，文章对国产高模量碳纤维工艺性能提出如下主要要求：

（1）无断头，毛丝尽可能少

在制备碳纤维预浸料过程中，一旦发生碳纤维断头现象，必须停车接丝，这样会造成部分区域外观品质问题。采用热熔法制备预浸料工艺往往使用数十个至数百个纱轴，如果有断头，就会降低生产效率和浪费材料，且会影响预浸料的品质。

在预浸料制备过程中，碳纤维将经过一系列导向轴和碾压辊，毛丝多，且机械摩擦后易形成毛团，使预浸料表面不平整，影响其厚度的均匀。实践工作表明，在预浸料毛团处，树脂含量会明显增高，且也会引起分布不均；一旦形成毛团增大，其结果会造成更多断丝。除此之外，若碳纤维毛丝多，还会污染生产环境，对预浸料操作人员健康带来危害。

（2）线密度稳定，离散性小

制备碳纤维预浸料时为了正确地计算单位面积碳纤维用量，首先要控制碳纤维的线密度。日本东丽公司碳纤维品质稳定性好的主要反映在控制其线密度的稳定。20世纪80年代初T300、M40线密度的离线系数指标为小于3%，20世纪90年代不同批次碳纤维的线密度离散系数实测值均小于1%，使制备碳纤维预浸料过程中，为有效控制单位面积碳纤维用量稳定性创造了有利条件。

（3）合理上浆处理

在碳纤维制造过程中，为提高其操作性能，对碳纤维大都预先采用上浆处理。实践表明，不是一种上浆剂对每种碳纤维都适用，也不是每种上浆剂和各种树脂基体都相容。因此碳纤维生产厂家都应有不同类型的上浆剂以适应不同的碳纤维增强材料和树脂基体材料。此外还应控制上浆剂的用量，对今后碳纤维扩展、制备超薄型预浸料、碳纤维与树脂基体浸润性等方面的品质控制创造有利条件。

（4）以需求确定碳纤维有无捻度

对于碳纤维织物制品，一般选用有捻碳纤维，这样，在织造过程中，可使绒毛减少，制品均整性好。在制备碳纤维薄壁结构复合材料时，为了减轻结构质量，便于工艺铺层设计，必须用无捻碳纤维才能充分碾宽碳纤维，制备超薄型预浸料，满足产品结构设计要求。因此应针对碳纤维的不同用途向生产厂家提出制造有捻或无捻的碳纤维。

（5）足够的连续长度

采用热熔法制备预浸料时，每筒碳纤维的连续长度不同，只要其中有一筒碳纤维先用完，就必须停机补纱，以保证连续生产，但此后碳纤维陆续用完，就要依次停车，由此不仅降低生产效率，预浸料的品质也难以控制。因此要求每筒碳纤维长度控制在一定范围内，有利于预浸料制备的品质保证。

（6）储存稳定性要好

碳纤维从生产之日起到生产出复合材料结构件，要经历品质检验、生产、储存、运输等一系列过程，有些过程时间较长，因此必须有规定的储存期，在此期间碳纤维应保持其原有的状态和工艺操作性，如编织、缠绕、预浸料制备等工艺过程中碳纤维无损伤和性能下降现象。

5加强国产高模量碳纤维批产几点建议

为了加速国产高模量碳纤维研制进程及其在航天器和空间光学遥感器中应用，提出如下几点建议：（1）增加碳纤维复合材料终端产品考核

实践表明，仅仅考核碳纤维的基本性能是不够的，所以在制定的国产高模量碳纤维考核指标基础上，应适时增加考核项目，尤其是全面考核碳纤维的界面及其综合性能，同时应涵盖复合材料的性能在内（纤维与预浸料性能、单向板与层合板力学性能）等[4-5]。另根据复合材料的验证模式要求，对结构元件验证基础上，增

航天返回与遥感2011年第32卷86

第3期夏英伟等：对中国高模量碳纤维应用中工艺性能问题的分析87加综合验证项目试验，这种增加碳纤维复合材料终端性能考核能提前暴露出材料与工艺中出现的问题，从源头把握住品质控制。

（2）根据实际使用要求，复核性能和工艺技术指标

基于目前国产高模量碳纤维的现状，要全部达到国外高模量碳纤维技术指标是较为困难的。为此建议设计部门和工艺部门应做充分的分析和必要的验证试验，在不影响使用要求的前提下，确定合理的技术指标，以积极的姿态促进国产高模量碳纤维的研制与应用。

（3）各方密切配合是国产高模量碳纤维快速进展的关键

至今为止，北京空间机电研究所在国产高模量碳纤维基本性能、工艺性能验证等方面开展了一些工作，发现国产高模量碳纤维压缩性能偏低、复丝性能各批次不稳定等问题。对这些问题已及时反馈给碳纤维生产单位，通过研究各工序的工艺参数对碳纤维产品性能和结构影响分析，制定对策措施，及时总结改进。通过各方面密切配合，变挑剔为沟通，从沟通到共同攻关，以加速该项工作进展。

（4）做好稳定性增长工作

碳纤维稳定性增长工作是碳纤维复合材料产品达到先进技术的支撑。日本东丽公司用了10多年时间才使T300碳纤维拉伸强度从进入市场时3000MPa逐步提高至当今3800MPa，离散系数从7%降至3%。这些重大的进步都经历了“生产—应用（发现问题）—改进提高—稳定”漫长的稳定性增长过程，因而国产高模量碳纤维也不例外，要达到先进技术指标，稳定性增长工作必须持续坚持，有利于稳定、快速发展。

6结语

碳纤维是国家重要的战略性基础材料，是制造碳纤维复合材料的主要原材料[6-7]，但不是应用的最终产品，因此一定要用制造碳纤维复合材料的需求和要求引导碳纤维生产的发展[8-9]。为了加速国产高模量碳纤维研制进程，走出一条中国特色的自主创新发展之路，文章从制造工艺要求和加速研制工作等方面做了分析和建议，笔者认为应从碳纤维制造过程各工序的参数对其性能和结构影响来分析源头保证国产高模量碳纤维品质，建立专业互补、高效攻关、快速发展，尽快地形成国产高模量碳纤维自立保障能力，尽快将国产高模量碳纤维应用于航天器和空间光学遥感器结构中，在世界高性能碳纤维日新月异的新形势下，尽快占有一席之地。同时要借鉴国外先进经验和加强产、学、研、用紧密结合，为我国航天器及空间光学遥感器结构扩大先进复合材料的应用做出新成绩。

参考文献

[1]沈曾民,迟伟东,张学军,等.高模量碳纤维的现状及发展[J].高科技纤维与应用,2010，35(3)：5-13.

[2]EDIEDD.Chapter2in Fibers and Composites Edited by Pierre Delhaes[M].Florda,USA:Taylor&Francis,2003.

[3]贺福.碳纤维及石墨纤维[M].北京:北京化学出版社,2010.

[4]罗益锋,申屠年.高性能纤维的市场机遇与竞争态势[J].高科技纤维与应用,2008,33(1)：1-5.

[5]孙晋良.纤维新材料[M].上海:上海大学出版社,2007.

[6]赵稼祥.进一步发展我国碳纤维的经验与启示[J].高科技纤维与应用，2010，35(6):1-6.

[7]秦志全,高葆春,周霞.聚丙烯腈基碳纤维拉伸性能的影响因素[J].高科技纤维与应用，2006，31(2)：11-14.

[8]西鹏.高技术纤维[M].北京:化学工业出版社,2004.

[9]贺福.碳纤维及其应用技术[M].北京:北京化学出版社,2004.

作者简介

夏英伟，男，1979年生，2004年获中国空间技术研究院飞行器设计专业硕士学位，工程师，主要从事复合材料结构设计及成型工艺技术研究。

沃西源，男，1942年生，毕业于国防科技大学，研究员。研究方向为复合材料成型工艺与应用技术研究。