高強(qiáng)高模碳纖維具有高比模量、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定等系列優(yōu)點(diǎn),是衛(wèi)星和航天器的主體結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)和防護(hù)結(jié)構(gòu)等不可替代的關(guān)鍵材料。中國(guó)科學(xué)院寧波材料所特種纖維事業(yè)部長(zhǎng)期致力于國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維技術(shù)研發(fā),于2016年2月、2018年3月相繼實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)M55J、M60J高強(qiáng)高模碳纖維制備技術(shù)突破。
在國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)高模碳纖維系列化制備技術(shù)基礎(chǔ)上,特種纖維事業(yè)部針對(duì)國(guó)產(chǎn)M55J級(jí)高強(qiáng)高模碳纖維微觀(guān)結(jié)構(gòu)-宏觀(guān)性能關(guān)聯(lián)性等領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了深入研究,通過(guò)纖維截面形貌研究發(fā)現(xiàn),國(guó)產(chǎn)M55J高模碳纖維截面呈規(guī)則圓形,而東麗M55J碳纖維呈腰形,進(jìn)一步通過(guò)高溫石墨化過(guò)程中纖維石墨特征結(jié)構(gòu)演變機(jī)理研究發(fā)現(xiàn),高模碳纖維拉伸模量與Raman光譜中無(wú)序結(jié)構(gòu)D峰、石墨特征結(jié)構(gòu)G峰的半高寬存在一定函數(shù)關(guān)系,D峰、G峰半高寬值越小,纖維拉伸模量越高;同時(shí),國(guó)產(chǎn)M55J碳纖維拉伸強(qiáng)度高達(dá)4.86GPa,顯著高于東麗M55J碳纖維的4.02GPa,結(jié)合該性能差異針對(duì)其微觀(guān)結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),石墨微晶層間距和微晶取向是影響高模碳纖維拉伸強(qiáng)度關(guān)鍵因素,國(guó)產(chǎn)M55J高模碳纖維與東麗M55J碳纖維石墨微晶層間距相同,但國(guó)產(chǎn)M55J高模碳纖維具有更高石墨微晶取向,說(shuō)明高取向石墨微晶結(jié)構(gòu)有利于高模碳纖維拉伸強(qiáng)度的提高。該系列研究成果發(fā)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。
此外,針對(duì)聚丙烯腈預(yù)氧化纖維體密度及元素含量、低-高溫兩段石墨化等對(duì)高模碳纖維性能的影響規(guī)律等基礎(chǔ)研究,特種纖維事業(yè)部近期申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利5項(xiàng)(申請(qǐng)?zhí)?/span>201810536653.x;201810431103.1;201810431101.2;201810339670.4;201810311440.7)、獲授權(quán)實(shí)用新型專(zhuān)利2項(xiàng)(201820826573.3;201820536161.6)。
該系列研究工作得到裝備發(fā)展部領(lǐng)域基金重點(diǎn)項(xiàng)目(6140922010103),中科院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)(XDA17020405)等項(xiàng)目資助