據媒體披露,最大的碳纖維生產和銷售企業——中復神鷹碳纖維有限責任公司(以下簡稱中復神鷹)正式推出M40級碳纖維產品SYM40-12K,該產品具有中強高模等特點,
拉升強度為4500兆帕,彈性模量達到380吉帕(
1吉帕=1000兆帕),已經達到日本東麗公司研製的M40高模型碳纖維的水平。經過一年的刻苦攻關,目前已成功實現百噸級工業化生產,打破了外國公司的壟斷和封鎖,滿足了我國航天和航空工業的急需。本文根據國內外公開資料對其研製背景做一簡單分析。碳纖維是先進複合材料最重要、應用最多的一種增強纖維,具有高比強度、高導熱、高導電、低熱膨脹係數等優點,隨着航空航天飛行器的不斷發展,對碳纖維性能的要求也不斷提高。
但是航空工業和航天工業對碳纖維複合材料性能要求的側重點卻並不相同。航空工業重點考核碳纖維的拉伸強度和斷裂伸長率,以日本東麗公司開發的T800S碳纖維為例,其抗拉強度達5880兆帕,斷裂伸長率為2.0%。也就是說T800S碳纖維應用在飛機機翼上後,機翼可以承受很大的力甚至發生彎曲也不會折斷。抗拉強度越高,碳纖維抗斷裂、折斷的能力越強。而航天工業考核的重點是碳纖維的彈性模量,即所謂的剛度,要求碳纖維受力後變形越小越好,最好完全不產生什麼變形。航天產品在滿足強度的條件下剛度要求越高越好。由於外太空環境極其惡劣,溫差變化可達數百度,對外形精度有很大影響。而進入外太空軌道後一旦衛星外形發生形變,達不到所需的設計精度,很可能就無法完成其執行的重要任務。
而太空中對航天器故障進行維修是極其困難的,投資數億甚至數十億的航天產品在太空中很有可能會成為一個“廢物”,或性能大打折扣,對國家和研製使用者造成重大損失。中復神鷹是目前國內規模最大的T300、T700、T800碳纖維生產和銷售企業,也是國內唯一一家T800級碳纖維向市場供貨的企業,國內碳纖維的市場占有率高達70%以上。碳纖維原絲產能達12000噸,碳纖維產能約5000噸,是國內第一家實現千噸級碳纖維產業化生產的企業。2017年9月,中復神鷹千噸級T800碳纖維新線正式投產;2018年,我國T1000級碳纖維工程化取得突破性進展,完全自主研發的百噸級T1000碳纖維生產線實現投產且平穩運行。
中復神鷹等單位合作完成的“干噴濕紡千噸級高強/百噸級中模碳纖維產業化關鍵技術及應用”項目榮獲國家科學技術進步一等獎,目前國際上僅有兩家公司掌握。由於日本的碳纖維生產企業已經有數十年的生產研發經驗,當我國的碳纖維技術一旦突破後,其立刻進行大幅降價來維護其中國市場份額。例如T800碳纖維2018年國內報價僅為200元左右/公斤,T300碳纖維更是已經降到了100多元/公斤,國內最大的碳纖維生產企業中復神鷹2016年全年也僅有幾十萬元的盈餘。由於高模型碳纖維研製生產難度較高,國內很少有公司能夠大批生產,因此日本公司目前仍然維持着較高的出口價格。M40J碳纖維2018年國內報價達1800至2000元/公斤,是T800碳纖維的9到10倍。而且更高等級的M65,M70碳纖維嚴禁向中國出口。另據新聞報道,中科院寧波材料所已研製出M55,M60高模型碳纖維,但未披露其生產規模。
中復神鷹批產的高模型碳纖維雖然僅為M40J級別,但卻是國內首條公開報道的百噸級高模型碳纖維生產線,滿產時產值可達2億元,利潤可達數千萬元。高模型碳纖維因其高模量、低熱膨脹係數的特點,具有高剛度、高結構尺寸穩定性的優勢,是航天器結構複合材料理想的增強體。目前在西方發達國家的衛星外殼,天線,筒體,電池陣,光學鏡片中,已廣泛使用高模型碳纖維複合材料,並取得了良好的效果,在衛星,航天器結構上發揮着不可替代的作用。例如美國研製的X-37B空天飛機的機身採用了高模型碳纖維/耐高溫聚酰亞胺蜂窩夾芯複合材料結構,使機身結構更輕、耐溫更高,並有效降低結構和熱防護系統的質量,增加空天飛機的有效載重量。高模型碳纖維作為一種重要的戰略物資,關繫到我國的國防安全和大國地位,該百噸級生產線的正式投產將大幅提高我國航天工業的國防現代化水平。