從性能和技術特徵對比分析全球拉伸強度最高的三款商品化碳纖維

錢鑫博士 發佈 2023-05-24T07:26:50.293269+00:00

對於碳纖維產品而言,拉伸強度(Tensile Strength)是一項最為重要的性能指標,我們日常最熟悉的T300、T800等產品中的T就是代表了拉伸強度。實際上,在材料力學中,材料的強度是指其承受施加載荷而不發生破壞或塑性變形的能力。

對於碳纖維產品而言,拉伸強度(Tensile Strength)是一項最為重要的性能指標,我們日常最熟悉的T300、T800等產品中的T就是代表了拉伸強度。實際上,在材料力學中,材料的強度是指其承受施加載荷而不發生破壞或塑性變形的能力。

材料的強度基本上考慮了施加到材料上的外部載荷與由此產生的材料尺寸變形或變化之間的關係。對於拉伸應力,材料或結構承受趨於伸長載荷的能力被稱為極限拉伸強度(UTS)。屈服強度或屈服應力是材料特性,其定義為材料開始塑性變形的應力,而屈服點是非線性(彈性+塑性)變形開始的點。

目前關於碳纖維拉伸強度的測試,主要可以通過兩種方法來進行測試:單絲測試和束絲測試;在本公眾號(碳纖維及其複合材料技術)前期文章《碳纖維單絲拉伸性能的測試方法及主要設備》、以及《高性能碳纖維復絲(束絲)力學性能的測試標準及方法》中介紹了兩種方法的詳細測試內容、過程、標準及主要設備,在此不再進行贅述。

在本文中主要介紹了三款拉伸強度最高的商品化(PAN)基碳纖維,由於瀝青基碳纖維和黏膠基碳纖維拉伸強度遠遠低於PAN基碳纖維,所以這三款高強度PAN基碳纖維基本代表了目前碳纖維力學性能(強度)的最高水平。

此次對比的三款高強度碳纖維分別是日本東麗T1100、日本三菱化學MR70以及美國Hexcel公司的IM10,絲束規格均為12K,三款碳纖維主要性能指標如下表所示。有關三種碳纖維尤其是日本東麗T1100碳纖維研發歷程與應用情況,可延伸閱讀本頭條號《深度解密日本東麗頂級T1100碳纖維從技術突破到商品化終到空天高端應用發展史》。

a、從技術特徵來看,三種碳纖維用原絲紡絲時採用溶劑體系存在不同,其中東麗採用DMSO、三菱採用DMF、Hexcel採用NaSCN;目前基本可以明確的是東麗T1100G/S採用干噴濕紡工藝,而根據公開信息三菱與Hexcel暫無干噴濕紡技術,因此MR70、IM10兩款碳纖維大概率採用濕法工藝,這或許也是這兩款碳纖維直徑顯著低於T1100的原因之一。

b、從強度/模量/伸長率來看,三種碳纖維拉伸強度代表業內最高水平,而且模量也均突破了300GPa,具備了航空用第三代超高強度碳纖維特徵(關於航空用三代碳纖維技術特徵與發展歷程,可以延伸閱讀<詳細剖析國外三代航空級碳纖維的特點、典型產品以及國內航空級碳纖維現狀>),而且兼具了高延伸率;三款纖維主體性能不分伯仲,也證明了不同技術路線均可製備出高強度碳纖維。

c、從線密度/直徑來看,三種纖維存在較大差距,首先東麗T1100碳纖維線密度最高、直徑也越大,三菱MR70次之(雖然直徑具體數值未公開,但可以根據線密度估算,應介於另兩款纖維之間),而Hexcel的IM10碳纖維直徑最小,僅為4.4μm。

d、進一步圍繞直徑來分析,一般而言PAN原絲直徑約十幾微米,而經過預氧化、低溫碳化、高溫碳化處理後,隨著熱處理過程中非碳元素溢出,纖維直徑逐漸下降,而三菱MR70、Hexcel的IM10的細直徑說明兩款纖維熱處理程度更高(三菱MR70較高的體密度尤為明顯),而IM10直徑幾乎與東麗經石墨化製備得到的M40J/M55J碳纖維相當。

雖然三款碳纖維拉伸強度性能優異,但是製備工藝、纖維其他指標(尤其是直徑)等均存在較為明顯的差異,這也使得三種纖維最終應用可能存在不同。

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