碳纖維是指含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。耐高溫居所有化纖之首。用腈綸和粘膠纖維做原料,經高溫氧化碳化而成。
碳纖維具有耐高溫、抗摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等特性 外形呈纖維狀、柔軟、可加工成各種織物,由於其石墨微晶結構沿纖維軸擇優取向,因此沿纖維軸方向有很高的強度和模量。碳纖維的密度小,因此比強度和比模量高。碳纖維的主要用途是作為增強材料與樹脂、金屬、陶瓷及炭等複合,製造先進複合材料。
現代戰爭武器裝備向著低能耗、大載荷、隱身化和高機動性快速發展,對製造武器的材料也提出了更高要求。被譽為“黑色黃金”的碳纖維複合材料,因其優異的材料特性而被廣泛應用於國防軍工等領域。藉助碳纖維材料打造效能更優的武器裝備,早已成為各軍事強國比拼較量的新戰場。
其中,碳纖維的T數是指碳素材料的級別,多少T指的是橫截面面積為1平方釐米單位數量的該類碳纖維可承受的拉力噸數。所以在一般情況下,T數越高,則代表碳纖等級越高,品質越好,而美國的F-22使用的就是T-300碳纖維材料。
美國的F-22“猛禽”戰鬥機通過採用包括碳纖維多軸向經編複合材料在內的多種碳纖維增強複合材料,主翼、垂尾翼、平尾翼以及機身蒙皮等部位用量比例高達35%,明顯減輕了機身重量,提高了機動靈活性以及抗疲勞、抗腐蝕等效能。
高品質碳纖維材料僅有日美掌握,中國碳纖維市場長期處於進口產品壟斷狀態,高昂的進口價格和嚴苛的技術封鎖嚴重製約著中國碳纖維的發展。世界先進的高效能碳纖維技術主要掌握在日本公司手中,其生產的碳纖維無論品質還是數量上均處於世界領先地位,日本東麗、日本東邦和日本三菱麗陽目前擁有全球丙烯腈基碳纖維50%以上的市場份額。
2000年8月,中國專門成立了以兩院院士師昌緒為組長的“聚丙烯腈基碳纖維發展對策研究”課題組,當時師昌緒院士已經82歲高齡,還領導大家完成了領導大家完成了《聚丙烯腈基碳纖維發展對策研究報告》和《中國聚丙烯腈基碳纖維及原絲研製、生產單位概況》2個報告,2010年,在師昌緒院士的努力下“碳纖維及其複合材料產業技術創新戰略聯盟”正式成立,2013年被科技部正式批准為“國家試點聯盟”。
而在這其中,一家企業——中復神鷹也做出了卓越的貢獻。
早在2005年,中復神鷹主動參與到中國產碳纖維的研發。2008年,中復神鷹開始進行幹噴溼紡碳纖維工程化專案攻關,並開展了可行性試驗工作,連續攻克了碳纖維原液、紡絲、碳化等系列技術難題並構建了具有自主產權的幹噴溼紡千噸級高強/百噸級中模碳纖維產業化生產體系,建成了首套具有完全自主產權的幹噴溼紡碳纖維生產成套裝備。2017年9月,千噸級T800碳化線投產並連續穩定執行,實現中國航天級碳纖維產業化。
根據國內碳纖維行業最重要的測試中心北航和北化國家實驗室測試,中復神鷹碳纖維一致性指標達到國際先進水平。
可以說從進行研發到突破壟斷,中國花費了12年的時間。
2017年,中復神鷹碳纖維有限責任公司牽頭完成的“幹噴溼紡千噸級高強/百噸級中模碳纖維產業化關鍵技術及應用”專案榮獲2017年國家科技進步一等獎。這意味著中復神鷹碳纖維製造技術得到了國家獎的權威認證。
該專案突破幹噴溼紡千噸級高強/百噸級中模碳纖維產業化關鍵技術,實現了中國產碳纖維的批量供應,填補了國內以幹噴溼紡工藝為代表的高效能碳纖維生產技術的空白,打破了國外高效能碳纖維企業在中國市場的長期壟斷。
目前中復神鷹目前具有一定規模的T300、T700、T800和M30的碳纖維生產和銷售能力,並且實現了T800級碳纖維向國內市場的供貨,具備了在航空航天及重點工業領域推廣應用的條件,目前中復神鷹更是完成了T1000的研發,在國際上屬於一流水準。
而殲20戰鬥機的T700級碳纖維,更是領先F-22的T-300材料。
除了殲-20之外,中國產大飛機C919大飛機機身的15%採用了樹脂基碳纖維材料,這是民用大型客機首次大面積使用這種材料,在同等強度下,它的重量比傳統材料輕80%,疲勞壽命更長。中國產高技術纖維芳碸綸的使用,使大飛機再度“瘦身”。由於大規模採用先進材料,C919整體減重7%左右。飛機重量減輕意味著油耗更小,成本更低,還能減少二氧化碳排放,更環保節能。高效能纖維及其複合材料無可爭議地成為C919成功飛翔的有力推手。
而且中國還在全世界首次運用碳纖維材料造地鐵,中國打造的新一代碳纖維列車,採用先進的碳纖維技術,車體、轉向架構架、司機室、裝置艙及裝置機體等均使用碳纖維複合材料製造,是大規模應用碳纖維複合材料的地鐵車輛。特別是成功突破碳纖維大型複雜件結構設計、製造成型等關鍵技術,實現了碳纖維複合材料在車體、轉向架構架、司機室等車輛主承載結構上的全面應用。
新一代碳纖維地鐵列車,速度達到了140/小時,遠超過之前世界上最快的舊金山地鐵80/小時的速度。
目前,中國在嘗試將碳纖維材料運用到艦艇之中。比如將碳纖維複合材料應用在武器外罩、甲板防護板以及導彈衝擊遮護板上。而使用碳纖維複合材料代替鋼材料製造艦艙壁、甲板和艙門,至少可以在品質上減輕40%以上,而且碳纖維複合材料具有更低的磁特性,火災時熱傳導低、阻聲效能更好。
碳纖維複合材料的應用技術也將越來越完善和成熟,這將推動艦船裝備進一步向輕量化方向發展。
可以說,在碳纖維領域,中國真正實現了突破、超車、領先,而這和中國企業的大力配合,以及82歲的師昌緒老院士的不懈努力是脫不開關係的。