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分析·日美碳纤维产品研发态势
发布时间:2019-06-11   浏览次数:51

2014年以来,日本和美国针对下一代航空航天产品发展等需求,着力抢占新一代碳纤维产品制高点。

2014年1月,三菱人造丝公司推出与T1100G性能基本相当的MR70;

2014年3月,日本东丽公司宣布开发出高强高模碳纤维T1100G;2107年11月,日本东丽公司研发出新的碳纤维品种Z600;2018年11月,东丽公司又推出改进的高模系列产品MX。

2019年3月,美国赫氏公司公布其高强高模碳纤维HM50,其性能均远高于美军现用的IM7,但强度仍低于MR70和T1100G。

美日新一代产品开发接连突破,领先优势增大;碳纤维产品作为战略性材料,我国必须自主发展,应密切关注国外重大发展动向。

一、日本三大厂商主攻民用市场,采取前瞻迭代发展模式

日本发展碳纤维产品主要瞄准高技术产业,主攻民用航空航天市场。民机产品类型多样、竞争激烈,更新换代速度快,推动日本碳纤维产品“小步快跑”,系列化发展,其产能、性能、价格等方面都领先于美国。日本碳纤维研发和创新由企业主导,主要厂商是东丽、帝人东邦人造丝和三菱人造丝这三家公司。其中,东丽公司的研发实力、质量和产能都处于世界领先地位,其碳纤维产品的全球市场占有率达30%以上,帝人东邦人造丝公司和三菱人造丝公司两家合计约占全球的40%。

1.东丽公司产品发展态势

该公司生产的碳纤维主要有T系列(高强型T300到T1100G)、M系列(高模型M30到M70)、MJ系列(高模改进型,M40J到M70J)和MX系列(高模改进型)。其中MJ、MX系列是该公司在高模量碳纤维M系列的基础上,突破技术瓶颈后开发出的新产品。

高强T系列产品:主要用于机翼、机身等对强度有高要求的航空航天结构部件。发展态势:

一是第二代产品成熟应用。20世纪80年代开发了第二代T700、T800、T1000高强中模碳纤维系列。目前, T800(拉伸强度5.88GPa,模量294GPa)是航空航天等领域应用最广的商用碳纤维,大量用于A350和B787客机的机身和机翼等部件,第一代T300已逐渐被淘汰。

二是新研第三代T1100G,全面超越二代产品。2014年3月,东丽宣布研制成功T1100G碳纤维(拉伸强度7GPa,模量324GPa),标志着日本的碳纤维产品跨入高强高模的第三代。2017年3月,该公司突破树脂和上浆工艺,推出其配套的T1100G/3940环氧预浸料。这种最新的预浸料与第二代的T800/3900-2预浸料相比,拉伸强度和抗冲击性能均提升30%。这种新型的碳纤维复合材料或可使部件减重20%,在机翼、机身、发动机等结构部件上有良好应用前景。

高模M系列产品:主要用于对刚度有高要求的航空航天结构部件,特别是直升机旋翼、卫星和导弹壳体等对于强度要求稍低,变形要求高的部件。发展态势:

一是扩展到了MJ系列。20世纪80年代中期,为适应航空航天主承力结构件高强高模并重的需求,在70年代M40、M50等高模型碳纤维系列的基础上,相继开发了M40J-M60J等高强高模型“MJ”系列产品。M65J拉伸强度为3.63GPa,模量可达640GPa,M70J拉伸强度为3.5GPa,模量可达680GPa。

二是MX系列横空出世,强度大幅提高。2018年11月,东丽新推出MX系列产品。该系列是通过严格控制石墨化过程的纳米级石墨晶体结构,将拉伸强度和拉伸模量并行提高到新的高度。首个MX系列产品是M40X,拉伸强度5.7GPa,拉伸模量达377GPa,拉伸强度比M40提高约30%,同时保持了与其相当的拉伸模量。东丽公司计划推出含有MX系列碳纤维的预浸料,其拉伸强度、抗压强度和抗冲击性能将得到显著改善。

2.帝人东邦人造丝公司产品发展态势

帝人公司根据碳纤维模量将其产品分为标准模量(在航空航天中已逐步淘汰)、中模量及高模量三大类。该公司目前性能最好的中模产品是IMS65,其性能与东丽T800相当;性能最好的高模产品是UMS40、UMS45,其性能与东丽M40J、M50J相当,与东丽M70J、MX系列产品还存在较大差距;目前仍未推出第三代高强高模产品。

3、三菱人造丝公司产品发展态势

三菱人造丝公司的碳纤维产品可按模量划分成高强低模、高强中模、高强高模和高模系列。高强低模代表产品有HT-TR30、HT-TR50,其中HT-TR30相当于T300性能水平,HT-TR50相当于东丽T700性能水平;高强中模代表产品有IM-MR60(性能介于东丽T700~T800之间,接近T800);高强高模最新产品是IM-MR70,拉伸强度可达7GPa,模量达324GPa,性能与T1100G相当。高模系列产品与东丽差距较大,最优产品HM-HS40仅相当于东丽M40J水平。

二、美国着力把控本国军用市场,政府主动参与技术研发

美国碳纤维产品有非常深厚的国家安全背景,在日本主导民用市场、多国军方也采用日本碳纤维产品的情况下,长期坚持自主研发,尽量采购本国产品满足军用市场需求,使本国军用碳纤维产品保持良性循环,基本实现自主可控。

以美国防部国防高级研究计划局(DARPA)为主的政府机构引导和资助多家研究所和中小企业开展碳纤维技术创新。其中,氰特工业公司和赫氏复合材料公司这两家企业脱颖而出,成为美国主要的军工碳纤维供应商。氰特工业公司在2015年被比利时索尔维公司并购后,赫氏公司成为美最大的军用碳纤维供应商。

赫氏公司目前拥有一系列碳纤维产品,包括高强中低模的AS系列、高强中模的IM系列和高模的HM系列,其中AS系列的代表牌号有AS4、AS7(性能相当于东丽T700),IM系列的代表牌号有IM7(性能略低于东丽T800)、IMA(性能相当于东丽T800)、IM8、IM9、IM10,HM系列的代表牌号有HM63,性能仅与东丽M46J相当。

赫氏公司的高强碳纤维产品系列已广泛应用于美军战斗机和航天器中,其中AS4和IM7的应用最为广泛,两种碳纤维与环氧树脂、双马树脂匹配形成的复合材料已大量用于美军F-22A和F-35隐身战斗机,也被欧洲采购,用于A400M军用运输机和A350XWB宽体客机等。为突破第三代高强高模碳纤维关键技术,DARPA再次介入,在2006年启动了“先进结构纤维”项目,汇集全美优势科研力量,开发以碳纤维为主的下一代结构纤维。

美国佐治亚理工学院在此项目资助下研制出强度5.5~5.8GPa,模量354~375GPa的新型碳纤维。

2009年赫氏公司也成功研制IM10,强度达到6.8GPa,模量达310GPa,强度与T1100G相当但模量略低。2019年3月,该公司在欧洲复合材料展会上展出最新研制的高强高模碳纤维HM50,其强度达到5.86GPa,模量达到345GPa,与IM10相比,强度降低不少、模量大幅提高,强度和模量均已远高于美军装备现用IM7。

值得注意的是,目前美军装备仍需要使用一些日本碳纤维产品,虽是来自盟友,但美政府对此仍高度警惕:美国防部2018年10月牵头完成了美国国防工业基础及供应链评估,其中提出美“一些特种和专用碳纤维过度依赖日本和欧洲的独家供应,表明国防部的供应链存在严重薄弱环节。”

三、启示建议

碳纤维是先进航空航天复合材料关键原材料,日美长期以来主宰高端产品市场,且都把碳纤维列为战略材料,技术高度保密,产品对我禁运。另一方面,更高强度和更高模量兼备的碳纤维产品,将是未来各国国防军工领域竞争激烈的技术高地。日本和美国目前仍站在碳纤维技术发展的最前沿,其中日本高强碳纤维和高模碳纤维均领先全球,新品推出速度和性能指标均明显领先美国。从发展模式来看,日本碳纤维产品的发展,主要是企业受民用航空航天等市场的既有及潜在需求吸引而形成的自发行为;美国碳纤维产品的发展则长期瞄准本国军用市场需求,政府引导和资源投入发挥了重要作用。

我国碳纤维产业发展应综合借鉴日美经验,同时面向军民两个市场,坚持走政府引导支持与企业研发相结合的道路。

一方面,应当通过政府引导和投资,明确装备对材料的可能需求,着力保障第二代产品生产稳定性并突破第三代产品技术,坚决咬住实现产业转化的目标,充分考虑国内采购,大幅提高我军装备用材的自主可控水平;

另一方面,应当鼓励并支持我国碳纤维企业积极参与市场竞争,主动瞄准商用市场研发产品,促进相关军用技术的转化应用,丰富产品系列,持续升级换代,反哺装备发展。

总的看,若在充分掌握日美碳纤维产品发展模式和态势的基础上,充分发挥可集中力量高效办大事的体制优势,利用好军民融合战略全面铺开、深入推进的历史性机遇,我国碳纤维产业有望加速实现新的技术突破和规模化稳定生产,并走上良性可持续发展轨道。

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来源:中国航空研究院
 关键词:碳纤维
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