高性能纖維材料的案例
全面解讀高性能纖維與復合材料
發展高性能纖維及其復合材料的重要意義
高性能纖維及其復合材料因強度高、比重小，是國家安全、航空航天與海洋開發等使用的物資，新一輪新型武器裝備研發，對高性能纖維及其復合材料提出新的要求，高性能化與結構功能一體化是高性能纖維與復合材料的重要發展趨勢。
隨著中國的強大，新一輪武器裝備競賽序幕已經拉開，美國、中國、日本、歐洲、俄羅斯等均設立超高性能纖維，結構功能一體化纖維等專項，進行攻關，包括超高強度纖維、高模量纖維等，特別是纖維學科與納米、化學、凝聚態物理、電磁波、仿生結構等多學科交叉的研發團隊，有望為高性能纖維及其復合材料的制備帶來全新的理論和技術突破。
碳纖維復合材料是制造業輕量化核心
碳纖維復合材料不再只是國防戰略物資，輕量化碳纖維復合材料技術更是低碳經濟和先進制造業的核心競爭力；輕量化技術可以提升交通運輸工具能源利用率，減少排放，提高科技水平；可減少運動部件慣量，提高運動速度，提高精度，減少噪音，減少能耗，提高機械設備科技水平；高性能纖維及其復合材料具有良好抗腐蝕性，可以提高海洋、化工、石油、建筑等領域建筑與裝備的抗腐蝕性，延長壽命，提高競爭力。
特別是碳纖維復合材料，經過50多年發展，技術不斷進步，產業不斷成熟，正在發展成為低碳經濟和制造業輕量化核心技術，為此，近十年來，發達國家積極調整發展戰略，把發展碳纖維復合材料作為制造業振興、提升國家制造業核心競爭力的重要途徑。
幾十年來，日本、美國、歐洲等發達國家一直在引領全球航空航天等高端領域碳纖維復合材料制造與應用的發展。
展開 我國最大規模高性能碳纖維產業化獲得成功
聚丙烯腈基碳纖維是軍事工業用量大、使用面廣、地位極為重要的關鍵性高性能纖維材料，鍛壓模具是各類軍用高強、高模、高強高模型復合材料的原料及技術基礎。碳纖維在民用領域也廣泛應用，我國在經濟高速發展中，碳纖維復合材料制品也獲得快速發展，特別是作為體育休閑用品生產大國，每年需大量進口碳纖維，如2010年全世界碳纖維產量達到4萬多噸，我國進口約7000多噸，約占世界總產量的1/5。 江蘇恒神纖維材料有限公司作為“碳纖維產業化國家示范工程”的實施單位，從2007年8月成立以來，與北京化工大學、北京航空航天大學、東華大學、西南交通大學等研發機構建立了深度合作的產學研關系，一次性建設年產3000噸規模的碳纖維企業，形成了從原材料到終端產品的完整產業鏈，不但有碳纖維，還有碳纖維織物、樹脂、預浸料、復合材料制品。目前，公司已擁有發明、實用新型專利25項，專有技術若干項。
展開 90后研發高性能航空材料
打破國外壟斷，成為國產高性能碳纖維熱塑性復合材料開拓者和領軍企業，為國防工業發展提供有力技術支撐——這是華東理工大學9名90后研究生創新創業的心愿。
又輕又結實，既耐高溫又耐腐蝕，抗沖擊性強、可塑性高，具備這些特點的材料應用于飛機制造，可以取代部分金屬材料，減輕機身重量，減少燃油使用，降低碳排放。可以說，材料是未來飛機的核心。由單毫、洪成、賈凱慧等華理學子組成的上海華航碳纖維復合材料有限公司，便著眼于此，他們開發了連續碳纖維增強聚醚醚酮復合材料（CF/PEEK復合材料）。這種復合材料的強度比金屬高5倍，重量比金屬輕60%，性能比同類產品提升了10%以上，不僅耐高溫、耐腐蝕、抗沖擊，還具備自潤滑、耐磨損、X光可透過、耐輻射等特性，除能廣泛應用于航空航天領域外，還能在武器裝備、能源工業、交通運輸、醫療器械等領域大顯身手。玻璃纖維透明https://www.hongyantu.com/goodlist/zq/16000.html
如今，華航團隊擁有3項發明專利，相關產品今年9月在國產大飛機的潛在供應商進行試用時獲得認可；與此同時，團隊榮獲中國第四屆“互聯網+”創新創業大賽上海市金獎、全國銀獎，2018年“創青春”全國大學生創業大賽上海市金獎、全國銀獎。
華航復材團隊的調研顯示，受限于技術壁壘較高，全球能生產CF/PEEK復合材料的企業屈指可數。如今，高性能纖維及其復合材料相關產業在全球范圍內發展迅速，市場對輕量化、可回收、環境友好型材料的需求也在日益增長。若在制造業中大規模應用相關材料，可大大提升制造業輕量化科技水平。自“十二五”以來，我國高度重視高性能纖維復合材料的研發和應用，并制定了相應的戰略規劃。
“或許我們還有一些不足，產品也還有提升空間，但我看好CF/PEEK復合材料的發展前景。”華航復材團隊的靈魂人物、華理化工學院研三學生單毫表示。
展開 紡織工業十二五規劃擬定 “掘金”高性能纖維
分析認為，由于高性能纖維及復合材料性能要求高、生產工藝復雜、技術壁壘高，是未來產業升級的關鍵要素，其中具有技術、規模優勢的公司有望受益...
2020碳纖維材料展|復合材料展|高分子材料展
新型無機非金屬材料
先進陶瓷、特種玻璃、新型建筑材料、人工晶體、藍寶石、耐磨材料及設備等；
5. 高性能纖維及復合材料
高性能纖維及材料、碳纖維材料、樹脂基復合材料、碳/碳復合材料、金屬復合材料及設備等；
6. 先進高分子材料
聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚碳酸脂、功能彈性體材料、特種橡膠、工程塑料、硅材料、氟塑料、高性能氟硅材料、功能性膜材料及設備等；
7. 新能源材料
光催化能源材料、太陽能光伏材料、鋰離子電池材料、先進儲能材料、風電材料、新光源材料、油氣田先進材料及設備等；
8. 電子材料
介電材料、半導體材料、集成電路和光電器件材料、壓電與鐵電材料、熱電材料、導電金屬及其合金材料、磁性材料、光電子材料、電磁波屏蔽材料、多鐵材料、鐵電材料、非晶合金、氧化物存儲材料及設備等；
9.
展開 連續纖維增強高性能熱塑性復合材料 應用現狀
此外，在飛行器服役過程中的沖擊載荷、高低溫環境、濕熱環境等均對復合材料的使用提出了較高的要求。連續纖維增強高性能熱塑性復合材料（CF/PEEK，CF/PPS等），相比于傳統熱固性復合材料，具有更明顯的性能優勢，滿足航空領域應用的多種需求。隨著國外基礎研究的深入和工業制造能力的提升，以及材料成本和制造成本的降低，近年來CF/PEEK熱塑性復合材料憑借優異的性能開始在眾多領域開展應用研究。目前，處于研究階段的部件主要集中在航空、航天、船舶、石油以及高端民用制造領域。部分已經應用和正在科研攻堅的部件如圖5所示，這些應用和研究進展表明連續纖維增強高性能熱塑性復合材料，尤其是CF/PEEK熱塑性復合材料的廣闊前景。
圖5 CF/PEEK熱塑性復合材料已經應用和正在研發的部件實例
（a）衛星支架或蒙皮；（b）機翼前緣；（c）彈艙門；（d）發動機機匣和風扇葉片；（e）直升機旋翼槳轂和起降支承；（f）采油管道
國內對于連續纖維增強高性能熱塑性復合材料制件的結構設計與應用尚處于起步階段，高性能熱塑性復合材料的上游材料即高性能熱塑性預浸料的批量化生產尚屬空白，追趕國外高性能熱塑性復合材料設計和制造技術，積累國內熱塑性復合材料設計和制造經驗仍是當前研究的重要內容。
原文出處：
連續纖維增強高性能熱塑性樹脂基復合材料的制備與應用（點擊“題目”可鏈接全文）
肇 研，劉寒松
2020, 48(8): 49-61
doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2020.000209
展開 菲利華啟動7.3億元定增 擴產集成電路及高性能復合材料制品
本次定增的另一大項目高性能纖維增強復合材料制品生產建設項目則與軍工需求有關。公告介紹，近四十年來，菲利華的石英纖維紗和織物已廣泛應用于我國航空航天等國防軍工領域，從神州飛船到多種型號的戰略武器裝備。目前全球僅有4-5家企業具有石英纖維量產能力，而公司是全球少數具有石英纖維量產能力的制造商之一。
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碳纖維將占據美國高性能復合材料市場份額的85%
近日，據美國弗里多尼亞集團發布的高性能復合材料的市場報告顯示，美國對高性能復合材料的需求將以每年5.3%的速度增長，到2020年美國高性能復合材料市場總額將達100億美元。值得一提的是，到2020年碳纖維將占據最大的復合材料市場份額，將達85%。
注：深藍色為碳纖維復合材料;米白色為玻纖復合材料;紅色為芳綸復合材料;綠色為其他纖維復合材料
不過5.3%的增速與2010-2015年美國高性能復合材料市場的快速增長相比，有所回落。在2010-2015年期間，美國高性能復合材料市場實現了巨幅增長，當時眾多波音787客機開始交付，而這些客機所采用的材料中，有50%以上都是復合材料。
展望未來，高性能復合材料的需求在航空航天領域的應用將平穩增長，在風能和高壓容器領域的應用也將逐漸發展。雖然風能和高壓容器的規模較小，但是增速較快。高成本和勞動密集型的生產方法將會繼續阻礙高性能復合材料往更高體量和價格敏感的市場擴展。
航空航天仍是主市場 壓力容器應用增長最快
到2020年，航空航天將仍然是高性能復合材料的領先市場。壓力容器則將會是增長最快的應用領域，高性能復合材料將繼續獲得壓力容器(用于存儲高壓氣體的容器)的市場份額。
雖然汽車市場發展迅猛，但是高性能復合材料在汽車中的廣泛應用仍需時日，因為碳纖維復合材料的加工成本昂貴、耗時較長，難以快速應用在消費類車輛的生產中。
風能市場預計將快速增長。最近的稅收信用擴張將穩定這個歷史上動蕩的市場，隨著制造商需要生產更長的渦輪葉片，碳纖維將能有效實現渦輪葉片的輕量化。
由于美國聯邦政府的國防開支在未來今年內都將低于GDP的增速，因此碳纖維在國防和安全領域的增長將保持平均水平。體育用品市場由于日漸成熟，也只會看到邊際收益。
展開 寧波材料所在國產高強高模碳纖維結構性能關聯性研究領域取得進展
高強高模碳纖維具有高比模量、熱膨脹系數小、尺寸穩定等系列優點，是衛星和航天器的主體結構、功能結構和防護結構等不可替代的關鍵材料。中國科學院寧波材料所特種纖維事業部長期致力于國產高性能碳纖維技術研發，于2016年2月、2018年3月相繼實現國產M55J、M60J高強高模碳纖維制備技術突破。
圖1 國產M55J高模碳纖維與東麗M55J纖維截面形貌對比
在國產高強高模碳纖維系列化制備技術基礎上，特種纖維事業部針對國產M55J級高強高模碳纖維微觀結構-宏觀性能關聯性等領域基礎科學問題開展了深入研究，通過纖維截面形貌研究發現，國產M55J高模碳纖維截面呈規則圓形，而東麗M55J碳纖維呈腰形（圖1），進一步通過高溫石墨化過程中纖維石墨特征結構演變機理研究發現，高模碳纖維拉伸模量與Raman光譜中無序結構D峰、石墨特征結構G峰的半高寬存在一定函數關系，D峰、G峰半高寬值越小，纖維拉伸模量越高；同時，國產M55J碳纖維拉伸強度高達4.86GPa，顯著高于東麗M55J碳纖維的4.02GPa，結合該性能差異針對其微觀結構研究發現，石墨微晶層間距和微晶取向是影響高模碳纖維拉伸強度關鍵因素，國產M55J高模碳纖維與東麗M55J碳纖維石墨微晶層間距相同，但國產M55J高模碳纖維具有更高石墨微晶取向（圖2），說明高取向石墨微晶結構有利于高模碳纖維拉伸強度的提高。該系列研究成果發表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018, 112:111-118；Journal of Raman Spectroscopy，2019，doi.org/10.1002/jrs.5569等期刊上。
展開 浙大高超教授團隊《Nano Letters》：流變學調控助力實現高性能石墨烯纖維材料宏量制備
%聚合物添加劑能夠有效增強氧化石墨烯溶液的粘彈性，使其拉伸比從84%提高到1200%，從而實現了高速吹紡制備石墨烯纖維材料，其紡絲速度高達556 m min-1，比之前濕紡提高了兩個數量級，達到了化工纖維的生產水平。
圖1. 高速吹紡制備石墨烯纖維材料
圖2. 復合體系高拉伸流動性
并且由于在復合體系中聚合物只占30%， 在經過熱處理之后即可得到的純石墨烯纖維。SEM、XRD、TEM以及Raman等表征手段證明所得到的純石墨烯纖維確實保留和未添加聚合物石墨烯纖維接近的結構連續性、片層完整性以及結晶性， 使得通過吹紡制備的石墨烯纖維具有高達1.3×105 S m-1的優異導電性。
圖3. 吹紡石墨烯纖維結構完整性，宏觀連續性和高導電性
通過高速吹紡可以連續制備石墨烯纖維無紡布，與碳化樹脂復合之后可得到多孔石墨烯碳紙，能夠用于電極材料。相比于傳統碳纖維多孔碳紙，石墨烯纖維碳紙展現出高導電、高導熱、高透氣性以及高柔性等全方面性能優勢，是一種優異的燃電池氣體擴散層材料。目前國內碳纖維紙主要由日本東麗公司所壟斷，石墨烯纖維碳紙有望打破國外長久壟斷的局面。
圖4. 石墨烯纖維多孔碳紙制備和性能優勢
除此之外，通過引入超高分子量聚合物調控流變性能的方法還可以擴展至其他一維和二維納米材料，從而快速吹紡制備各種納米纖維材料，包括納米纖維素、碳納米管、二硫化鉬以及MXene等。
圖5.
展開 【技術干貨】一文詳解影響碳纖維及其復合材料壓縮性能的結構因素（二）碳纖維的微觀結構及壓縮破壞
摘 要
碳纖維及其復合材料因其優異的拉伸性能和輕質特性而備受關注，但是，自從它們問世以來，碳纖維及其復合材料在壓縮載荷下的較差性能一直是制約其廣泛應用的主要障礙。
在本系列專題文章中，將會從微觀結構和宏觀角度系統地討論造成這一缺陷的原因，并就如何提高碳纖維及其復合材料的壓縮性能提出了建議。在上期文章中首先介紹了碳纖維壓縮強度的常見測試方法，而本文中主要介紹碳纖維微觀結構及壓縮失效破壞。
附錄：碳纖維及其復合材料壓縮性能專題
《專題一：碳纖維壓縮強度的測試方法》
碳纖維的微觀結構
為了開發提高碳纖維壓縮性能的方法，了解碳纖維的加工過程及其最終微觀結構是很重要的。生產碳纖維最常用的前驅體為聚丙烯腈（PAN）纖維，下圖1顯示了PAN纖維向碳纖維轉變過程的微觀結構規律。
碳纖維是通過對PAN纖維進行高度可控的連續熱處理來制備的，典型的熱處理過程包括：預氧化（又叫熱穩定化），低溫碳化和高溫碳化。PAN纖維的熱穩定是在空氣氣氛中進行的，通常PAN纖維在不同溫度下經受200至300°C的熱處理，并根據特定前驅體纖維的加工要求在規定的時間內施加張力。
展開 
寧波材料所在短切碳纖維增強聚合物材料導熱性能方面取得進展
短切碳纖維是由碳纖維長絲經纖維短切而成，相較于碳纖維長絲可以更均勻地分散在基體材料中。短切碳纖維不僅具有超高的機械強度、較低的密度及良好的熱穩定性，而且是一種性能優異的導熱材料，是提高聚合物材料導熱性能的理想導熱填料。但是，一維材料存在嚴重的導熱各向異性，如何充分控制短切碳纖維在聚合物基體材料中呈豎直取向，從而充分利用碳纖維的軸向高導熱性能得到具有優異縱向熱導率的復合材料是研究的關鍵。常用的方法是通過對短切碳纖維施加外電場，使碳纖維沿豎直方向取向。但是這種方法需要較強的電場強度且工藝較為復雜，另外復合材料厚度受限于纖維的長度，較難得到厚度適宜的導熱復合材料。
鳳凰供應環氧樹脂https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48338.html
基于上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所表面事業部功能碳素材料團隊通過利用單軸溫度場下冰晶的定向引導作用，使得短切碳纖維沿豎直方向取向，得到了具有“微蘆葦叢”結構的碳纖維多孔泡沫，其制備流程和微觀結構如圖1所示。“微蘆葦叢”結構充分利用碳纖維的軸向高導熱增強聚合物材料的導熱性能。該方法制備的復合材料的熱導率高達6.04 Wm-1.K-1，并且得到的復合材料具有良好的柔順性，有望代替傳統的聚合物材料解決電子電氣設備的散熱問題。
相關工作已發表在化工領域的核心期刊（Chem. Eng. J., 2019, 375, 121921），并獲得國家自然科學基金（51573201和U1709205）、浙江省公益技術應用研究計劃（2016C31026）和3315創新團隊等項目資助。
展開 連續纖維增強復合材料力學性能測試方法
基于ABAQUS對連續纖維增強復合材料進行仿真時，我們需要獲得纖維板的基礎力學性能參數，一般通過兩種途徑：（1）當不具備實驗測試條件時，可以查閱相關文獻資料，但是常常不能匹配我們使用的特定材料。（2）具備實驗測試條件，一般高校實驗室是配備相關儀器的，這時我們根據相關標準，制作標準樣條，測試纖維板的力學性能。
在ABAQUS中我們常用下圖中所示的面板設置纖維復合材料的彈性參數和強度參數。
連續碳纖維CF/PEEK熱塑性復合材料性能
1、良好的斷裂延伸率和斷裂韌性
PEEK作為高性能熱塑性聚合物的代表，其斷裂韌性可達2.0 KJ/m，是環氧樹脂的20倍。
2、優異的抗分層能力和抗疲勞性
PEEK有著較好的耐沖擊性，它是耐熱樹脂中耐沖擊性最好的一種。同時PEEK的剛性大，尺寸穩定性好，線脹系數較小，具有優異的長期抗蠕變和抗疲勞特性。
3、優異的抗化學腐蝕性
PEEK的抗化學腐蝕性極優，對酸、堿及幾乎所有的有機溶劑都有很強的抗腐蝕能力，只在高溫時被鹵素和強酸腐蝕，在常溫下只溶于濃硫酸。
4、優異耐濕熱性能
PEEK吸濕率低，耐濕熱性能好，高溫高濕下仍能保持良好的力學性能，此外耐水解性突出，低吸濕性和滲透性，耐蒸汽、水和海水。
5、優異的滑動磨損和微動磨損
PEEK能在 250 ℃下保持高耐磨性和低摩擦因數。
6、生物相容性
有研究表明，以短碳纖維增強PEEK作為假體材料植入動物體內，其細胞毒性小，符合醫學植入材料的細胞毒性指標，有良好的血液相容性和組織相容性。
7、透X光
PEEK具有良好的透射性能，不產生如金屬植入體在X射線、CT檢查下形成的偽影，便于患者在醫療等方面的檢查等。
展開 柔性再生碳纖維濕法取向仿真模擬及其復合材料性能研究
4.2 纖維取向對復合材料彎曲性能影響
為了研究纖維取向度對其制備的復合材料性能的影響，采用模壓成型工藝制備 CF/EP 復合材料。使用島津儀器(蘇州)有限公司的電子萬能材料試驗機 AGX-V100KN，按照 GB/T 1449—2005[22]測試CF/EP 復合材料的彎曲性能(樣條尺寸 40 mm×15mm×2mm)，將上述工藝制備的取向纖維氈和非取向纖維氈裁剪成形狀和尺寸一致的預成型坯料并層疊放在模具中。環氧樹脂和固化劑按照質量比 4:1的比例調配，攪拌均勻后注入模具中充分浸漬纖維氈，隨后加壓至 5 MPa，在 120 ℃下保溫 3 h 后冷卻至室溫，從模具中取出試樣，將表面打磨平整，得到 CF/EP 復合材料。
不同取向度的 6 mm 碳纖維復合材料與純環氧樹脂彎曲性能如圖 13 所示。由圖 13 可知，6mm0°取向氈復合材料相對于未取向氈的彎曲強度和模量分別提升了 70.6%和 88.5%；而相對于90°取向氈性能提升了 200%和 337.5%。這是因為纖維氈中的纖維按照 0°方向排列時，碳纖維軸向優異的力學特性能得到充分發揮，因此復合材料在纖維軸向的力學性能大幅度提升。上述結果表明，CF/EP 復合材料的力學性能與纖維的取向度有關，纖維氈中纖維的取向度越高，其制備的復合材料力學性能越強。
4.3 結果討論
試驗表明，纖維懸浮液在空氣壓力作用下從針筒形漸縮流場中擠出，并利用壁面收縮產生的剪切力使纖維在流體中完成取向。三軸移動平臺可對噴嘴的移動路徑進行自由編輯，使得制備的取向纖維氈不僅僅局限于單向取向，從而提供更多個性化的取向方向選擇，以滿足不同性能對取向方向的需求。
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