前沿技術(shù) | 超纖維及其先進復(fù)合材料的最新進展
前沿技術(shù) | 超纖維及其先進復(fù)合材料的最新進展
2022-06-16
超纖維及其先進復(fù)合材料是當(dāng)代超材料的重要組成部分，是未來新一代航空航天、國防軍工和尖端科學(xué)的先導(dǎo)和保障材料。所謂超纖維及其復(fù)合材料，是指在性能和功能上具有突破性進展的超級材料，并越來越接近于其理論值的新型材料，當(dāng)然也包括新出現(xiàn)的超纖維及復(fù)合材料。從上述意義上來說，這類材料是動態(tài)的，隨著科技的發(fā)展，將不斷更新?lián)Q代。
1 無機類超纖維及其復(fù)合材料
超碳纖維及其復(fù)合材料
碳纖維（CF）被譽為“新材料之王”，目前已商品化的產(chǎn)品最高強度為7 GPa，我國剛突破的研發(fā)水平為6.3GPa。最新研發(fā)成功的超碳纖維（UCF）是日本東麗TORAYCA®的T2000，強度高達60GPa，相當(dāng)于碳纖維理論值（180GPa）的1/3。
T2000的出現(xiàn)使CF從斷裂伸長率為2.2%的脆性材料提升為2.5%以上的高韌性防彈材料，當(dāng)其復(fù)合材料用作坦克和裝甲車的結(jié)構(gòu)材料時，防穿甲彈能力可提高6倍，因此可用作未來超現(xiàn)代化的軍艦和戰(zhàn)斗機等新型武器系統(tǒng)以及運載火箭和導(dǎo)彈的殼體結(jié)構(gòu)材料。
TORAYCA®碳纖維紗/布
超級中間相瀝青基碳纖維（U-MPCF）及其復(fù)合材料
U-MPCF是已產(chǎn)業(yè)化的碳纖維中拉伸模量和導(dǎo)熱系數(shù)最高的產(chǎn)品，兩項指標(biāo)分別達到了935GPa和900W/（m·K），專利上發(fā)表的上述兩個值分別超過1 000GPa和1 000W/（m·K），主要用于需要耐高溫、抗燃、高剛性、熱膨脹系數(shù)小和耐宇宙射線的領(lǐng)域，例如衛(wèi)星天線板等。
各類MPCF增強熱塑性樹脂制品
目前市場上已開發(fā)出超高導(dǎo)熱系數(shù)系列產(chǎn)品，以日本Granoc纖維為例，其導(dǎo)熱系數(shù)有320、500、600和900W/（m·K）等幾種。
日本三菱樹脂公司的U-MPCF為該類纖維的最高性能水平產(chǎn)品，包括：拉伸強度3.8GPa，拉伸模量900GPa，斷裂伸長率0.4%，導(dǎo)熱系數(shù)620W/（m·K）；或拉伸強度3.7GPa，拉伸模量935GPa，導(dǎo)熱系數(shù)800W/（m·K）。
目前，我國湖南大學(xué)、北京化工大學(xué)及多家企業(yè)正開展相關(guān)纖維的中試研究，預(yù)期“十三五”期間將建設(shè)百噸級生產(chǎn)線。
2 聚對亞苯基苯并二噁唑纖維
PBOF是綜合性能極佳的超纖維，拉伸強度5.5～6.0GPa，模量300GPa，熱分解溫度650℃，在500℃下暴露1h可保留80%的初始模量，而對位芳香族聚酰胺纖維在450℃便分解，極限氧指數(shù)（LOI）達到68，可用于體育、工業(yè)及防護領(lǐng)域。美國國家航空航天局（NASA）將其用于火星表面探測器吊帶，長20m。該纖維的主要缺點是紫外光穩(wěn)定性和儲存穩(wěn)定性差，改進方法是在其苯環(huán)上引入羥基或進行共聚改性。
目前只有日本東洋紡有400 t/a的PBOF產(chǎn)能，其產(chǎn)品商品名為“Zylon”。我國約有 6 家單位研制，其中中藍、晨光化工研究院正建設(shè)350 t/a的生產(chǎn)線，中試產(chǎn)品強度可達 6 GPa；浙江工業(yè)大學(xué)和北京化工大學(xué)正與相關(guān)企業(yè)合作，分別興建300和100 t/a的生產(chǎn)線。
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