【技术干货】一文了解欧洲空间用高模量/超高模量碳纤维及预浸料项目
摘 要
为了应对欧洲卫星子系统所需的高模量/超高模量碳纤维均为非欧洲公司生产的现状，同时提升欧洲本土公司太空用高模量/超高模量碳纤维及其预浸料技术和产品水平，欧洲启动了“欧洲空间技术用合格碳纤维和预浸料(European Space Qualified Carbon Fibres and Pre-Impregnated Based Materials，简写EUCARBON )”项目。
通过本项目实施，目前欧洲本土公司西格里碳素收购的Fisipe公司初步具备了高模量级碳纤维（拉伸模量348GPa，拉伸强度4300MPa）的生产能力，开发出该款高模量碳纤维预浸料产品，并成功设计并制造了太空结构件，Fisipe公司下一步将开展超高模量碳纤维用6k原丝的攻关。
1 EUCARBON项目背景及组织形式
目前欧洲卫星及其子系统应用的高模量和超高模量碳纤维及其相关预浸料均是由日本东丽、日本东邦、美国赫氏等非欧洲公司提供（图1），由于PAN基高模量/超高模量碳纤维及其预浸料是空间研究中技术创新的基础，因此其核心技术已成为影响欧洲空间技术发展和应用的关键技术。
鉴于满足航空航天标准的碳纤维要么在欧洲以外国家生产，要么在外国的监督下在欧洲分公司生产，因此，极大削弱了欧洲在空间技术方面的竞争力，同时也涉及到交货周期和不可预知的成本增加等因素，欧洲希望为了能够自由、不受限制地获得这些材料，为此启动了“欧洲空间技术用合格碳纤维和预浸料(European Space Qualified Carbon Fibres and Pre-Impregnated Based Materials，简写EUCARBON )”项目。
本项目由欧盟委员会资助，项目起止时间分别为2011年12月-2015年11月，项目总经费3.19亿欧元，其中欧盟财政拨款1.99亿欧元。
1、在欧洲本土公司开发用于人造卫星组件等性能要求高模量/超高模量碳纤维；
2、短期内目标为开发拉伸模量约350GPa的高模量碳纤维，中期目标约为开发拉伸模量500GPa以上的超高模量碳纤维；
3、开发基于自主生产的高模量/超高模量碳纤维的预浸料工艺和预浸料体系；
4、利用自主生产的高模量/超高模量碳纤维预浸料，进行设计、制造和测试卫星用部件；
5、利用碳纳米管掺杂树脂基体来开发具有改善电学和热学性能的预浸料。
为了实现EUCARBON项目的目标，结合不同参与单位的优势，因此将项目分为四个子项目进行实施，分别为：空间应用设计、制造和测试（由EADS CASA Espacio牵头）、高模量/超高模量碳纤维生产（由Fisipe牵头）、预浸料和CFRP层压板的制造（由INEGI牵头）、复合材料特性研究（由CTL牵头）。
图2显示了为项目建立的工作流程逻辑，其中包括首先明确卫星子系统具体应用，然后确定此类应用的材料要求，碳纤维的制造，预浸料制备的使用，预浸料转化为层压板，以及最终的设计，最后根据项目内开发的材料制造和测试空间展示器。
2 项目进展情况
2.1 第一阶段代表性成果
该项目的前18个月产生了以下主要结果：
初步确定了两个卫星子系统结构件作为目标产品，制定了高模量碳纤维研发计划，根据高模量/超高模量碳纤维所需的前驱体纤维的配方进行设计，初步生产出拉伸模量246GPa，拉伸强度4360MPa，断裂伸长率1.66%，密度1.78g/cm3的碳纤维。
制定了预浸料研发计划，参照日本东丽M40J高模量碳纤维产品制定预浸料加工工艺，以42%的纤维含量生产预浸料，并对所制预浸料生产的层压板进行首次试验。
碳纤维的研发工作成果：研制的超高温石墨化炉成功地实施了生产工艺，前驱体纤维的生产规模进一步扩大到工业级水平，而碳纤维的生产技术逐步从大丝束转向小丝束碳纤维的生产（50k，24k，12k），其中12k高模量碳纤维的最佳性能：拉伸模量348GPa，拉伸强度4300MPa，断裂伸长率1.2%，密度1.72g/cm3，目前已经启动针对超高模量碳纤维的6k纤维原丝的生产。
预浸料研发成果：通过使用日本东丽M55J超高模量碳纤维加工预浸料，并根据工艺参数的控制调整预浸料工艺，如张力水平、树脂粘度、温度分布、树脂挤压、加工/停留时间、目标产品面质量、表面质量和预浸料厚度等；成功开发出Fisipe公司高模量碳纤维预浸料产品（图4）；采用掺杂碳纳米管的环氧树脂预浸渍高模量碳纤维（以环氧重量计含量高达1.5%）（图5），评估了碳纳米管的表面功能性、负载率和其他物理/化学分散技术对固化动力学、流变特性的影响，以及碳纳米管的分散与分布规律等对预浸处理和CFRP最终性能的影响。
图4 以葡萄牙Fisipe高模量碳纤维为原料加工的预浸料
图5 碳纳米管改性的环氧树脂基体
在项目第二阶段，考虑到目标空间卫星子系统的应用和所需材料的特性，用高模量碳纤维预浸料成功地设计和制造了两个空间结构组件（演示用）：一个支柱（作为管制造）和一个天线副反射器。这些演示器按照通常用于空间组件性能的标准程序进行了进一步的测试评估，表明良好的性能符合在材料水平（碳纤维和预浸料）确定的性能预期，并适合在工业环境中制造。
图6 自主研发的高模量碳纤维为原料制造的空间结构件
通过本项目两个阶段实施，预期在葡萄牙Fisipe菲西伯建立一个空间领域用高模量/超高模量碳纤维的生产基地，有可能在短期内为空间应用提供高模量碳纤维，并在中期提供超高模量碳纤维；在高模量碳纤维制造工艺中，从前驱体配方到最终纤维结构转化，将有力支持欧洲在高性能碳纤维方面的进一步发展，并提高欧洲部门在高性能碳纤维产品方面的竞争力。
开发用于高模量/超高模量碳纤维和定制树脂配方的预浸材料的既定技术诀窍有望提高欧洲预浸料产品的创新能力。而实现高模量碳纤维和相关预浸料的工业生产和开发能力，预计将提高欧洲在高性能碳纤维复合材料应用新材料供应方面的技术能力；在整个碳纤维复合材料行业，如树脂、预浸料、增强织物、基于碳纤维复合材料结构的系统设计生产方面，将在欧洲创造新的市场机会，并最终成为碳纤维复合材料构件的制造商和集成商。
在本项目中除了碳纤维制造商、空间结构验证的欧洲空客公司等以外，波尔图大学主要负责了碳纳米管改性环氧树脂基体研究，通过本项目实施该大学培养博士1名、硕士3名，发表了数篇学术和会议论文，毕业生情况如下：
Susana Silva（波尔图大学化学工程博士学位），论文题目：用于太空领域的具有增强性能的CNT/CFRP复合配方，2016年。
Ana Isabel Moreira（波尔图大学化学工程硕士学位），论文题目：用于高性能复合材料的碳纳米管填充高性能环氧基配方，2015年7月。
JoãoSottomayor（波尔图大学机械工程硕士学位），论文题目：开发具有碳纳米管和纳米纤维的高性能结构–多功能复合材料的性能模型，2015年7月.
JoãoSottomayor论文（波尔图大学机械工程硕士），论文题目：开发具有碳纳米管和纳米纤维的高性能结构–确定用于RTM工艺的纳米复合材料配方的化学流变行为，2015年7月。