举个例子。上面谈到的复材加工钻削出口工艺难题,一直困扰着复材加工行业,导致产品加工后质量达标率偏低。国内某企业正是通过复材表征技术设备的检测,再结合加工刀具运动的记录数据,综合分析最终发现了一个特点:就是复材加工时,随着钻头转速的增大,将使出口撕裂值变小,产品质量得到提升。结合进给速度增大导致撕裂值变大、钻头转速增大导致撕裂值变小这两个特点,企业经过反复试验,最终将切削速度与进给速度比值控制在3000-4000以下,有效地减小了撕裂值,保证了复材产品加工质量。
既然表征技术这么重要,那么它都包括哪些具体的技术手段呢?
内部结构表征技术:
以X-射线衍射、电子衍射、隧道扫描显微镜等设备为基础。
其中,X-射线(广角、小角)衍射研究,可以获得碳纤维的取向度、微晶尺寸、石墨化度等重要信息。其数据统计意义上的,对研究材料基本性能具有很高的价值,但难以确切反映碳纤维内部结构的局部特征。
电子衍射,是通过透射电子显微镜获得碳纤维材料的取向角、层间距、微晶尺寸,发现其内部各种缺陷。其数据是微米级别的,对碳纤维无损探伤具有重要意义。
隧道扫描显微镜、原子力显微镜则可以获得纳米级或原子级的信息,使得人们对碳纤维复材的微观结构认识达到了一个更深入的层次。
表面结构表征技术:
主要依靠X光电子能谱。它可以定性、定量分析碳纤维表面元素和其存在状态。因为物理学发现,当固定激发源能量时,X光形成的光电子的能量仅与物质表面元素的种类和所电离激发的原子规定有关。因此,就可以根据冠电子的结合能定型分析碳纤维表面的元素种类。X光电子能谱就可以定性、定量分析碳纤维表面存在的元素和状态。
碳纤维复合材料的表征技术,主要应用在三个方面:
1 生产环节的表征测量,用于监控生产质量和优化生产工艺
2 检测环节的表征测量,用于检验产品质量和分析产品性能
3 使用环节的表征测量,用于监控设备寿命和确保安全运行
国内方面的应用进展如下:
中航复材:材料表征技术方面先进技术主要有:复合材料成分微结构及理化表征技术、复合材料使用性能测试表征技术、复合材料无损检测与评估技术、复合材料服役环境结构模拟分析技术。自行开发了7.5米X6米多通道检测仪,其FJ系列窄脉冲换能器以其优异的声学性能,解决了复合材料无盲区检测的需求,达到了同类产品世界领先水平。
中航复材:自行开发了多型号便携式超声设备,满足复合材料结构外场服务的需求。
在十五期间国产T300级碳纤维成熟产品。哈工大复合材料及结构研究所,就在2007年使用电子扫描显微镜、X射线衍射仪、显微光谱仪、光电子能谱仪等设备,对国产T300级碳纤维GCF,与日本、美国同级产品进行了结构表征与性能比对分析。综合测量分析的结果,肯定了GCF的微观结构规整,与T300具有相当的弹性模量,且可与树脂基提形成较强的界面作用。同时指出缺点是表面微晶尺寸较大,不利于纤维强度的提高。
沈飞公司:建立复合材料构件制造单元技术数据库,尝试多元化分析手段,采用数字影像技术监控制造全过程用以建立并追溯构件的全程制造历程。沈飞公司与大连理工大学等六家单位对复合材料承力结构件制造进行研究,内容囊括了复合材料从原材料到成形、固化、检测,再到装配的整个制造过程的基础研究工作,可以对复合材料结构件的设计形成反馈。
说起中国碳纤维复材近年来的发展,真可谓可圈可点。
一、碳纤维行业第一梯队已经隐约可见
当前国内的碳纤维企业林林总总,一哄而起全面开花的局面仍然存在。但随着近年产业推进大浪淘沙,似乎正在发生悄然改变。
原丝领域:
资料显示,2013年底为止中国的PAN原丝生产厂家竟然有30多家,建成总产能已经突破2万吨。中国人一哄而起、跟风赶潮的架势,真是惊人。然而大部分产品质量低劣,成本高于国际价格,因此市场需求度不高。2013年国内生产碳纤维不足3000吨,仅发挥了生产能力的1/10,导致大量设备闲置,全行业总体亏损。而同期,我国进口碳纤维及其制品12386.2吨,同比增长了34.5%;进口额达3.83亿美元。相当于国内产量的4倍。
反观国际上规模化的PAN原丝生产厂商,一共才7家,其中仅东丽一家的产能就接近中国的总和。
不过,在市场的洗礼之下,近年来中国已经开始出现行业洗牌,龙头企业初步显现。江苏航科的T800、中复神鹰的T700都是大热。2015年6月,中复神鹰开建年产3500吨碳纤维生产线三条,计划在3年内完成建设并进入投产,项目总投资达10亿元。项目建成后,将形成原丝15000吨/年及碳纤维6000吨/年生产力,是我国最大的碳纤维生产基地。
有趣的是,江苏航科与西光所合作,是中科院背景;中复神鹰隶属中国复合材料集团有限公司。有趣的是两家一个在镇江,一个在连云港,使得江苏成为中国碳纤维原丝的最大基地。
北方的吉化也不弱,当年“高性能T300级碳纤维及原丝制备成套技术”是吉化的镇宅之宝,凭这个获得中国石油2009年度科技进步特等奖。现在碳纤维原丝产能达到5400吨/年,碳纤维产能达到818吨/年。特别是,碳纤维产品规格涵盖1K至48K不同级别。看过《原文》的同学,应该明白吉化是以小丝束为主的生产结构,以及这意味着什么。点到为止,呵呵。
航空复材领域:
这与原丝领域科研+地方的合作模式不同,一水儿的国家队。中航工业一口气在哈飞、沈飞、西飞、成飞、昌飞、洪都等多家企业建立了航空复材中心。同属于中航工业背景的中航复材,落户北京,颇有后来居上之势。450人的小单位,一半硕士博士,先进设备眼花缭乱,拥有具完全自主知识产权的复合材料数据库,和国内最多的复合材料树脂牌号/预浸料牌号。
中心领导誓“为我国的新型军机和大型民机的研制和定型生产提供坚实保障” 军民通吃,好大的口气。复材收入初创时1亿多元/年4年翻三番达到2014年的9亿多元,成为碳纤维复材生产的大户——林左鸣也真是护犊子,国字特别是军字的大订单基本上被中航复材尽入囊中,当真是肥水不流外人田啊,呵呵。
二、原丝领域部分技术工艺获得突破性进展,但仍有部分产品线空白
