东丽公司碳纤维及其复合材料的进展.pdf

1、 国 外 科 技 东 丽 公 司 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 的 进 展赵 稼 祥( 航 天 材 料 及 工 艺 研 究 所 北 京 100076 )文 摘 在 美 国 第 45 届 材 料 与 加 工 工 程 促 进 学 会 年 会 与 展 览 共 有 世 界 上 著 名 的 八 家 碳 纤 维 公 司 展 出了 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 产 品 。 本 文 简 要 介 绍 日 本 东 丽 公 司 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 制 品 的 新 发 展 。关 键 词 碳 纤 维 ,复 合 材 料 ,东 丽 公 司1 前 言美 国 第 45 届 材 料 与 加 工 工 程

2、 促 进 学 会 年 会 与展 览 会 (The 45th SAMPE Conference and Exhibition) 共有 世 界 上 著 名 的 八 家 碳 纤 维 公 司 展 出 了 碳 纤 维 及 其复 合 材 料 产 品 , 它 们 是 : TORAY CARBON FIBERSAMERICA , INC. ; ZOLTEK CORP. ; FORTAFILFIBERS INC. ; GRAFIL INC. ;BP AMOCO POLYMERS ,INC. ;HEXEL CORP. ;MISTUBISHI CHEMICAL CORP.和 NIPPON GRAHPITE FIBE

3、R CORP. 。 本 文 重 点 报道 日 本 东 丽 公 司 在 碳 纤 维 和 复 合 材 料 产 品 的 新 进展 。2 开 发 发 展 碳 纤 维 与 复 合 材 料 的 全 球 战 略根 据 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 发 展 的 全 球 战 略 考虑 ,除 了 日 本 本 土 外 ,对 碳 纤 维 、 预 浸 料 、 碳 布 及 其 复合 材 料 在 世 界 各 地 进 行 了 布 局 。 在 亚 洲 日 本 本 土 东丽 公 司 建 立 了 世 界 上 碳 纤 维 最 大 生 产 基 地 之 一 的ESHIME 碳 纤 维 厂 ,在 原 有 碳 纤 维 生 产 线 的

4、基 础 上又 建 立 了 1 800 t/ y 的 碳 纤 维 生 产 线 。 在 欧 洲 ,法 国ABIDOS建 立 了 以 SOFICA 为 名 的 碳 纤 维 生 产 厂 ,主要 生 产 T 系 列 的 T300 和 T800H ,M 系 列 的 M40 和MJ 系 列 的 M40J 和 M46J 碳 纤 维 。 最 近 又 在 美 国ALABAMA 州 的 DECATUR 设 立 了 东 丽 碳 纤 维 (美国 )公 司 ,也 建 成 1 800 t/ y 的 碳 纤 维 生 产 线 ,专 门 生产 高 性 能 碳 纤 维 ,包 括 : T600S、 T700S、 T700G、 M30

5、S和 M30G。 因 此 ,东 丽 公 司 在 亚 洲 、 欧 洲 和 美 洲 都 有生 产 碳 纤 维 的 基 地 ,并 生 产 不 同 牌 号 的 碳 纤 维 ,以 满足 不 同 地 区 的 需 求 ,详 见 表 1。表 1 日 本 东 丽 公 司 在 世 界 各 地 的 布 点公 司 名 称 碳 纤 维 碳 布 预 浸 料 复 合 材 料TORAY COMPOSITES AMERICA ,INC. 3 3TORAY CARBON FIBER AMERICA ,INC. 3 SOCIETE DESS FIBRES DE CARBONE ,S. A. 3 ADVANCED SPORTING

6、COMPOSITES ,INC. 3SAKAI COMPOSITES CORP. 3 TORAY SHIGA PLANT 3TORAY EHIME PLANT 3 3 3收 稿 日 期 :2000 - 06 - 19赵 稼 祥 ,1933 年 出 生 ,研 究 员 ,主 要 从 事 碳 纤 维 及 其 复 合 材 料 应 用 方 面 的 研 究 工 作35宇 航 材 料 工 艺 2000 年 第 6 期除 了 碳 纤 维 外 ,东 丽 公 司 还 在 日 本 的 SHIMADA 和 美国 的 TACOMA、 WASHINGTON 建 立 了 碳 布 和 预 浸 料的 生 产 基 地 ,当 然

7、在 日 本 的 EHIME 也 有 预 浸 料 的 生产 线 。 与 之 相 适 应 的 碳 纤 维 复 合 材 料 除 了 在 美 国TACOMA、 WASHINGTON 建 有 东 丽 复 合 材 料 (美 国 )公 司 、 日 本 本 土 EHIME 建 有 东 丽 爱 缓 工 厂 外 ,还 在中 国 台 湾 的 台 中 市 建 有 先 进 体 育 复 合 材 料 公 司 ,在日 本 SHIGA 建 有 东 丽 SHIGA 工 厂 。 这 四 个 工 厂 主要 开 发 先 进 复 合 材 料 。3 发 展 高 性 能 、 廉 价 碳 纤 维在 美 国 第 45 届 材 料 与 加 工 工

8、 程 促 进 学 会 年 会与 展 览 上 可 以 明 显 地 看 到 东 丽 公 司 近 年 重 点 在 发 展高 性 能 、 廉 价 碳 纤 维 ,亦 即 重 点 发 展 拉 伸 强 度 4 000MPa 5 000 MPa ,而 且 价 格 与 以 前 T300 基 本 相 当 的碳 纤 维 品 种 。 表 2 是 在 这 次 会 上 东 丽 公 司 展 出 和 介绍 的 碳 纤 维 1 。 把 表 2 的 碳 纤 维 与 以 前 东 丽 公 司 展出 和 介 绍 的 碳 纤 维 2 相 比 ,有 了 以 下 的 变 化 。表 2 东 丽 公 司 的 碳 纤 维 与 性 能牌 号 每 束

9、 纤 维 根 数/ k 上 浆 类 别 拉 伸 强 度/ MPa 拉 伸 模 量/ GPa 延 伸 率/ % 线 密 度/ g km - 1密 度/ g cm - 3每 筒 质 量/ kgT300 1 ;36 ;12 4 ;5 3 530 230 1. 5 66 ;198396 ;800 1. 76 1. 0 ;2. 02. 0 ;4. 0T300J 3 ;6 ;12 45 4 210 230 1. 8 198 ;396800 1. 78 2. 0 ;2. 04. 0T400H 3 ;6 4 4 410 250 1. 8 198 ;396 1. 80 2. 0 ;2. 0T600S 24 5

10、;6 4 140 230 1. 8 1 700 1. 79 6. 0T700S 12 ;24 5 ;6 ;F 4 900 230 2. 1 800 ;1 650 1. 80 6. 0 ;6. 0T700G 12 ;24 3 4 900 240 2. 0 800 ;1 650 1. 80 6. 0 ;6. 0T800H 6 ;12 4 ;5 5 490 294 1. 9 223 ;445 1. 81 2. 0 ;4. 0T1000G 12 4 6 370 294 2. 2 485 1. 80 2. 0M35J 6 ;12 5 4 700 343 1. 4 225 ;450 1. 75 1. 0

11、;2. 0M40J 3 ;6 ;12 5 4 410 377 1. 2 113 ;225 ;450 1. 77 0. 5 ;1. 0 ;2. 0M46J 6 ;12 5 4 210 436 1. 0 223 ;445 1. 84 1. 0 ;2. 0M50J 3 ;6 5 4 120 475 0. 8 109 ;218 1. 88 0. 5 ;1. 0M55J 6 5 4 020 540 0. 8 218 1. 91 0. 5M60J 3 ;6 5 3 920 588 0. 7 103 ;206 1. 93 0. 2 ;0. 4M30S 18 5 5 490 294 1. 9 760 1. 7

12、3 4. 0M30G 18 1 5 100 294 1. 7 760 1. 73 4. 0M40 1 ;36 ;12 5 ;45 2 740 392 0. 7 61 ;182364 ;728 1. 81 0. 15 ;1. 01. 5 ;4. 0(1) T 系 碳 纤 维 中 增 加 了 T600S 和 T700G等 新品 种 碳 纤 维 。 亦 即 拉 伸 强 度 为 4 000 MPa 5 000MPa 的 碳 纤 维 。 但 是 基 于 先 进 复 合 材 料 发 展 的 需要 ,拉 伸 强 度 为 3 530 MPa 的 T300 类 型 的 碳 纤 维 已45 宇 航 材 料 工 艺

13、 2000 年 第 6 期经 不 能 满 足 需 求 ,因 此 , T300 类 碳 纤 维 实 际 上 已 逐步 走 向 淘 汰 。 必 须 根 据 先 进 复 合 材 料 市 场 发 展 的 需求 来 开 发 碳 纤 维 新 品 种 ,这 是 日 本 东 丽 公 司 的 重 要决 策 。(2)大 力 开 发 18K和 24K的 “ 准 ” 大 丝 束 碳 纤 维 。大 丝 束 碳 纤 维 的 价 格 要 比 小 丝 束 碳 纤 维 便 宜 30 % 40 % ,而 性 能 与 小 丝 束 碳 纤 维 相 当 ,有 的 性 能 甚 至还 要 高 。 大 丝 束 碳 纤 维 从 性 能 / 价

14、 格 比 来 看 ,比 小 丝束 碳 纤 维 具 有 明 显 的 优 势 。 日 本 东 丽 公 司 以 生 产 高性 能 小 丝 束 碳 纤 维 闻 名 于 世 ,主 要 生 产 1K、 3K、 6K和 12K的 小 丝 束 碳 纤 维 。 但 近 年 来 ,由 于 大 丝 束 碳纤 维 在 价 格 上 的 优 势 ,已 经 转 向 发 展 “ 准 ” 大 丝 束 碳纤 维 ,亦 即 发 展 比 大 丝 束 碳 纤 维 丝 束 小 ,但 比 一 般 小丝 束 碳 纤 维 丝 束 大 的 18K和 24K的 “ 准 ” 大 丝 束 碳纤 维 。 从 表 2 中 可 以 清 楚 地 看 到 ,日

15、 本 东 丽 公 司 最新 发 展 的 碳 纤 维 品 种 ,象 T600S、 T700S、 T700G、 M30S和 M30G等 ,都 属 于 这 个 范 畴 。(3) M 系 碳 纤 维 中 M30 和 M50 等 已 从 提 供 的 碳纤 维 产 品 目 录 中 消 失 。 从 日 本 东 丽 公 司 在 美 国 第45 届 材 料 与 加 工 工 程 促 进 学 会 年 会 与 展 览 上 提 供的 碳 纤 维 产 品 目 录 中 ,可 以 明 显 地 发 现 M 系 碳 纤 维中 的 M30 和 M50 等 高 模 碳 纤 维 已 从 目 录 中 消 失 。M50 的 拉 伸 模 量

16、 为 490 GPa ,拉 伸 强 度 只 有 2 450MPa ,延 伸 率 更 低 ,仅 为 0. 5 %。 显 然 ,这 种 类 别 的 碳纤 维 已 为 性 能 更 好 的 MJ 系 列 产 品 所 取 代 了 。 例 如M50J 和 M55J 碳 纤 维 ,拉 伸 模 量 相 应 为 475 GPa 和540 GPa ,拉 伸 强 度 高 达 4 120 MPa 和 4 020 MPa ,延伸 率 达 0. 8 %。 而 M 系 列 中 的 M30 碳 纤 维 ,因 为 性能 与 M30S 和 M30G不 协 调 ,也 从 碳 纤 维 产 品 目 录 中消 失 了 。4 发 展 碳

17、纤 维 新 品 种 同 时 ,大 力 开 发 先 进 复 合 材 料应 用东 丽 公 司 认 为 ,碳 纤 维 生 产 线 的 规 模 小 于 400t/ y 是 不 会 有 利 润 的 。 因 此 ,东 丽 公 司 和 世 界 各 大 碳纤 维 生 产 厂 新 建 立 碳 纤 维 生 产 线 的 规 模 大 多 大 于 或等 于 1 000 t/ y ,包 括 了 东 丽 公 司 新 近 建 成 的 两 条 1800 t/ y 的 碳 纤 维 生 产 线 、 阿 克 苏 诺 贝 尔 公 司 在 美 国田 纳 西 州 诺 克 丝 佛 尔 建 立 的 1 400 t/ y 的 碳 纤 维 生产

18、线 和 SGL 公 司 在 苏 格 兰 建 立 的 1 000 t/ y 的 碳 纤维 生 产 线 。 即 使 年 产 1 000 t 以 上 的 碳 纤 维 生 产 线的 利 润 也 是 不 高 的 。 如 果 碳 纤 维 的 利 润 是 1 ,那 末开 发 碳 布 和 预 浸 料 的 利 润 是 4 6 ,而 开 发 复 合 材 料的 利 润 则 是 10 12 ,因 此 ,碳 纤 维 公 司 发 展 复 合 材料 是 必 然 的 。东 丽 公 司 开 发 的 复 合 材 料 产 品 主 要 包 括 下 列 四个 领 域 :(1)航 天 、 航 空 产 品 。 象 波 音 777 飞 机

19、、 空 间 站 、高 级 地 球 观 察 卫 星 、 V2500 发 动 机 和 CANADAIR 飞机 等 构 件 ;(2)体 育 休 闲 用 品 ,包 括 钓 鱼 杆 、 高 尔 夫 球 杆 、 冲浪 板 和 网 球 拍 等 ;(3)土 木 工 程 和 建 筑 ,碳 纤 维 片 材 ,地 震 后 建 筑与 桥 梁 的 修 复 和 补 强 ,轻 质 量 房 顶 和 屋 架 结 构 等 ;(4)工 业 应 用 ,各 式 压 力 罐 、 贮 气 罐 、 不 同 尺 寸 的复 合 材 料 辊 子 、 天 线 反 射 面 和 X光 机 构 件 等 。在 美 国 45 届 材 料 与 加 工 工 程

20、促 进 学 会 年 会 上 ,东 丽 公 司 在 美 国 的 东 丽 复 合 材 料 公 司 专 门 推 出 了 供一 般 航 空 工 业 用 的 结 构 复 合 材 料 用 T700G 12K UDT/ 2510 和 T700G 12K PW F/ 2510 预 浸 料 ,表 3 是 东丽 公 司 提 供 的 这 两 种 复 合 材 料 的 性 能 数 据 (临 时 ) 。T700G 12K UD T/ 2510 是 由 T700G 12K 单 向 带 和2510 环 氧 树 脂 复 合 制 成 ,复 合 材 料 中 树 脂 含 量 35 %(质 量 分 数 ) 。 T700G 12K单 向

21、 带 面 密 度 为 150 g/ m2 ,2510 多 功 能 环 氧 树 脂 的 玻 璃 化 转 变 温 度 为 127 ,固 化 温 度 为 132 ,可 采 用 真 空 袋 或 固 化 炉 固 化 3 。由 表 3 可 见 T700G/ 环 氧 2510 的 0 拉 伸 强 度 为2 200 MPa ,东 丽 公 司 以 前 报 道 ,T300/ 环 氧 树 脂 复 合材 料 的 0 拉 伸 强 度 为 1 760 MPa。 必 须 指 出 ,复 合 材料 强 度 的 提 高 率 比 碳 纤 维 强 度 提 高 率 要 低 ,亦 即T700G/ 环 氧 复 合 材 料 的 0 拉 伸

22、强 度 比 T300/ 环 氧 树脂 复 合 材 料 提 高 约 25 % ,虽 然 T700G碳 纤 维 的 拉 伸强 度 要 比 T300 高 38. 8 %(前 者 为 4 900 MPa ,T300 则为 3 530 MPa) 。T700G 12K PW F/ 2510 是 由 T700G 12K碳 纤 维编 织 的 平 纹 布 ,幅 宽 96. 5 cm ,面 密 度 为 193 g/ m2 ,T700G 12K UD T/ 2510 预 浸 料 中 树 脂 含 量 为 42 %。由 表 3 可 见 T700G 12K PW F/ 2510 复 合 材 料 0 拉 伸强 度 为 91

23、7 MPa ,远 比 T700G 12K UD T/ 2510 复 合 材料 低 ,只 有 T700G 12K UD T/ 2510 复 合 材 料 的 约42 %。 但 T700G 12K PW F / 2510 复 合 材 料 的 90 方向 的 性 能 肯 定 比 T700G 12K UD T/ 2510 复 合 材 料 要好 ,虽 然 ,东 丽 公 司 没 有 提 供 90 方 向 的 性 能 数 据 。55宇 航 材 料 工 艺 2000 年 第 6 期表 3 T700 G 12 K UD T/ 2510 和 T700 G 12 K PW F/ 2510 复 合 材 料 的 性 能材

24、 料 3 0 拉 伸 强 度/ MPa 0 拉 伸 模 量/ GPa 0 压 缩 强 度/ MPa 0 压 缩 模 量/ GPa 0 短 梁 剪 切 强 度/ MPaT700G 12K UD T/ 2510T700G 12K PW F/ 25102 200917127561 470710114559559测 试 方 法 ASTM D3039 ASTM D3171/ D2734 SACMA SRM 1 SACMA SRM 1 ASTM D23443 T700G 12K UD T/ 2510 每 层 厚 度 0. 15 mm ;T700G 12K PW F/ 2510 每 层 厚 度 0. 22

25、mm。5 高 度 重 视 研 究 开 发 工 作为 了 保 证 东 丽 公 司 的 产 品 处 于 世 界 领 先 地 位 ,公 司 高 度 重 视 碳 纤 维 与 复 合 材 料 的 研 究 开 发 工 作 。通 常 东 丽 公 司 有 三 本 帐 :一 是 在 生 产 的 ,二 是 在 开 发的 ,三 是 在 研 究 中 的 。 为 了 发 展 先 进 复 合 材 料 ,如 上所 述 除 了 在 美 国 TACOMA、 WASHINGTON 建 有 东 丽复 合 材 料 (美 国 )公 司 、 日 本 本 土 的 EHIME 建 有 东 丽爱 缓 工 厂 、 在 中 国 台 湾 的 台 中

26、 市 建 有 先 进 体 育 复 合材 料 公 司 、 在 日 本 的 SHIGA 建 有 东 丽 SHIGA 工 厂外 ,还 设 立 了 多 处 研 究 开 发 中 心 ,配 合 在 美 国 TACO2MA、 WASHINGTON 建 立 的 东 丽 复 合 材 料 (美 国 ) 公司 ,在 美 国 TACOMA 和 WASHINGTON 同 时 建 立 了 复合 材 料 研 究 开 发 中 心 (COMPOSITES DEVELOPMENTCENTER 简 称 CDC) ,目 的 在 于 研 究 开 发 相 应 的 工 艺技 术 ,以 促 进 复 合 材 料 的 发 展 。在 美 国 TA

27、COMA 和 WASHINGTON 建 立 的 复 合材 料 研 究 开 发 中 心 装 备 有 现 代 化 的 先 进 仪 器 设 备 ,重 点 开 展 纤 维 缠 绕 工 艺 和 其 他 制 造 工 艺 的 研 究 ,特别 是 低 成 本 生 产 技 术 和 质 量 保 证 技 术 。 该 中 心 与 用户 密 切 合 作 ,对 产 品 开 发 的 每 一 阶 段 都 从 事 研 究 ,一直 到 产 品 开 发 成 功 ,并 把 技 术 转 让 给 用 户 为 止 。该 中 心 的 多 轴 数 控 缠 绕 机 可 研 制 生 产 长 度 达 4m的 缠 绕 件 ,进 行 多 筒 纤 维 缠

28、 绕 ,树 脂 自 动 分 配 ,质量 自 动 控 制 等 。 旋 转 试 验 设 备 可 以 进 行 105 r/ min的 高 速 试 验 。 有 开 展 无 损 检 测 的 超 声 波 检 测 设 备等 。 TACOMA 复 合 材 料 研 究 开 发 中 心 正 在 研 究 开 发飞 轮 组 件 ,包 括 飞 轮 转 子 、 飞 轮 外 壳 等 。参 考 文 献1 TORAYCA Quality Carbon Fiber , Toray Carbon FibersAmerica , Inc. , 20002 赵 稼 祥 . 日 本 东 丽 公 司 及 其 碳 纤 维 事 业 . 高 科

29、 技 纤 维与 应 用 ,1998 ; (2) :16 233 Structural Composite Materials for General Aviation Mar2kets. Toray Composites (America) , Inc. , 2000(上 接 第 4 页 )17 谢 军 . 北 京 航 空 航 天 大 学 硕 士 学 位 论 文 , 北 京 ,199918 Cao Hengchu ,Evans Anthony G . Electric2field2inducedfatigue crack growth in piezoelectrics. J . Am. Ce

30、ram. Soc. , 1994 ;77 :783 78619 Zhu Ting ,Fang Fei ,Yang Wei . Fatigue crack growth inferroelectric ceramics below the coercive field. J . Mater. Sci. ,1999 ; 18 :1 025 1 02720 Stewart W C ,Cosentino L S. Some optical and electricalswitching characteristics of a lead zirconate titanate ferroelectric

31、 ce2ramics. Ferroelectrics , 1970 ; 1 :149 16721 Jiang Q Y,Subbarao E C , Cross L E. Effect of composi2tion and temperature on electric fatigue of La2doped lead zirconatetitanate ceramics. J . Appl. Phys. , 1994 ; 75 :7 433 7 44322 White G S , Raynes A S ,Vaudin M D , Freiman S W.Fracture behavior o

32、f cyclically loaded PZT. J . Appl. Phys. , 1994 ;77 :2 603 2 60823 Fraser D B ,Maldonado J R. Improved aging and switch2ing of lead zirconate2lead titanate ceramics with indium electrodes.J . Appl. Phys. , 1970 ; 41 :2 170 2 17624 Jiang Q Y,Subbarao E C ,Cross L E. Grain size depen2dence of electric fatigue behavior of hot pressed PLZT ferroelectricceramics. Acta metall mater. , 1994 ;42 :3 687 3 69465 宇 航 材 料 工 艺 2000 年 第 6 期