近日，寧波材料所以自研新型高強高模碳纖維為原料，通過復合材料纏繞工藝成型加工的高壓儲氣瓶完成性能評測，高壓儲氣瓶容積為3.5L，重量僅為1.5Kg，分別進行了水壓爆破實驗、疲勞試驗等測試，在公稱工作壓力35.0MPa條件下，實際爆破壓力達到60MPa，而疲勞試驗結果顯示：氣瓶疲勞破壞次數為834次，遠高于出廠標準500次。
爆破壓力實驗
高壓儲氣瓶是以寧波材料所自主開發的新型高強高模碳纖維為原料，該型碳纖維拉伸強度≥5000MPa、拉伸模量330-400GPa，在2018年初，寧波材料所便形成小批量穩定制備能力，而該型纖維是高壓氣瓶最佳原材料（可參考本公眾號原創文章：復合材料氣瓶用增強纖維的發展與趨勢）。
循環充壓實驗曲線
詳解新型高強高模碳纖維
新型高強高模碳纖維，是指同時具有高拉伸強度、高拉伸模量特性的新一代碳纖維，其典型特征在于高強度和高模量兼具。目前已經實現商業化生產的該型纖維代表為：日本東麗TORAYCA?MX碳纖維拉伸強度5700MPa、拉伸模量377GPa；以及美國赫氏公司新產品HexTow HM50型碳纖維拉伸強度5860MPa、拉伸模量345GPa。
2018年11月19日，日本東麗發布公告已開發出新的碳纖維，實現更高的拉伸強度和拉伸模量，TORAYCA?MX系列，并計劃擴大其產品線。該公司還將使用MX系列碳纖維引入預浸膠（高性能樹脂浸漬織物），以促進各種應用。從東麗碳纖維性能指標表上可以看出，其實這個新型碳纖維是在M40J基礎上，強度提成30%（拉伸強度提高到了T800級碳纖維的水平），模量保持不變。
2019年3月12日，在巴黎復合材料展覽會上，美國赫氏（Hexcel）公布了8款新產品，其中包括拉伸強度5860MPa、拉伸模量345GPa的HexTow HM50型碳纖維。日本、美國相繼實現新型高強高模碳纖維產品量產，無疑再次在高性能碳纖維領域確定了領先地位。
為何研發新型高強高模碳纖維？
目前國內外碳纖維已經歷了兩代產品發展，第一代以上世紀60年代東麗公司的T300和赫氏公司的AS4低強低模碳纖維為代表，T300主要用于波音737等型號的次承力構件，AS4應用在早期F-14戰斗機的平尾等。第二代以上世紀80年代東麗公司的T800和赫氏公司IM7的高強中模碳纖維系列為代表，同代產品還有東麗的T700、T1000，赫氏的IM8、IM9等。T800強度比T300強度提高了68%，模量提高了28%，大量用于A350、B787的機翼機身主承力結構。IM7比AS4強度提高了37%，模量提高了21%，大量用于美國的“三叉戟”Ⅱ潛射導彈及F-22、F-35戰斗機等。此外，東麗M40J、M50J、M55J級高模量碳纖維，由于碳纖維拉伸強度較低，作為中強高模碳纖維也屬于第二代碳纖維。
總體而言，在第二代碳纖維中，高強中模碳纖維模量偏低、而中強高模碳纖維強度偏低，從而限制了航空航天武器裝備性能提升。現階段，航空領域最廣泛應用的是第二代高強中模碳纖維，由于模量偏低，且碳纖維材料脆性大，易導致復合材料結構部件的疲勞損傷，甚至發生災難性破壞，限制了航空武器裝備性能的提升。而第二代中強高模碳纖維主要在航天衛星領域獲得應用，但是強度偏低也對其廣泛應用產生一定影響。
隨著美國啟動第六代戰斗機、新一代遠程轟炸機、第一代無人艦載作戰飛機的研制，航空武器裝備對巡航速度、航程、機動性、隱身性能、防護能力和維修性等指標都提出了更高要求，這就需要拉伸強度、斷裂韌性、沖擊性能等綜合性能更高的碳纖維。盡快提高碳纖維模量的戰略意義日益突出、需求日益迫切。要獲得綜合性能高的碳纖維，就必須在強度和模量這兩個基本屬性上取得突破。
在此背景下，兼具高強度高模量特性的新型高強高模碳纖維呼之欲出，該型碳纖維的主要技術特征是同時實現高拉伸強度和高彈性模量。同時實現高的拉伸強度和彈性模量是碳纖維研制的技術難點。原絲制備和碳化是碳纖維制備的兩個關鍵工藝：高質量的PAN原絲是實現碳纖維高性能和批量生產的關鍵；碳化過程的控制與碳纖維的拉伸強度和彈性模量直接相關。多年的碳纖維研制經歷表明：大幅度地提高碳纖維彈性模量時，拉伸強度會明顯降低；而當保持碳纖維的高拉伸強度時，又很難大幅度提高纖維的彈性模量。究其原因，碳纖維是由大量石墨微晶組成的各向異性材料。高強碳纖維通常要求微晶尺寸較小，而高模碳纖維通常要求微晶尺寸較大，如何克服這一矛盾是碳纖維研制中的最大難題。
寧波材料所新型高強高模碳纖維技術
中科院寧波材料所于2008年成立了特種纖維事業部，專注于國產高性能碳纖維關鍵技術攻關，經過多年發展，目前事業部建有噸級規模聚丙烯腈（PAN）基高性能碳纖維柔性制備技術示范線、高性能纖維檢測表征實驗室等，擁有國家發改委碳纖維表征測試服務平臺、國家發改委碳纖維制備技術工程實驗室（共建）、高性能碳纖維產業化技術浙江省工程實驗室、中國化纖協會國家高性能纖維表征檢測（寧波）基地等平臺。
寧波材料所相繼實現了T700、T800、T1000級高強中模碳纖維，以及M40J、M50J、M55J、M60J級高強高模碳纖維的關鍵制備技術、噸級研發與工程化能力，2011年11月，寧波材料所研制的國產T800級高強中模碳纖維在國內率先通過成果鑒定，2016年1月、2018年3月，在國內相繼實現M55J、M60J級高強高模碳纖維關鍵制備技術突破，填補國內相關領域技術與產品空白，目前寧波材料所業已形成了覆蓋聚合、紡絲、預氧化、碳化、石墨化、表征的完整自主知識產權體系。
基于國產高性能碳纖維自主知識產權體系，寧波材料所于2015年便開始布局新型高強高模碳纖維研發工作，根據國內專業結構檢測單位對寧波材料所2015年6月產品性能檢測，批次碳纖維的拉伸強度分別高達5033MPa、5122MPa，拉伸模量卻同時高達468.4GPa、475.6GPa，而且纖維離散系數均小于5%。
2017年在承接國家項目基礎上，寧波材料所進一步加快新型高強高模碳纖維的批量制備工作，目前已經初步實現拉伸強度≥5000MPa、拉伸模量330-400GPa（相當于近期東麗M40X產品）小批量制備能力。
而在開發出新型高強高模碳纖維并實現小批量制備的基礎上，寧波材料所進一步對其后續應用進行了探索研究，以該型纖維為原料制備了高壓儲氣瓶，氣瓶性能順利通過評測。
此次高壓儲氣瓶為鋁合金內膽III型瓶，鑒于新型高強高模碳纖維材質為高壓儲氣瓶帶來的優異抗爆破能力和高循環使用壽命，未來，寧波材料所將著力開發基于該型碳纖維的IV型塑料材質內膽高壓儲氣瓶。
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