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

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