在年末将至时，小编按照时间先后顺序，梳理了中国科学院宁波材料所碳纤维及其复合材料团队（以下简称宁波材料所碳纤维团队）在高性能碳纤维及其复合材料领域的进展，主要包括技术、交流、学术等方面的内容。
01、在高导热碳纤维复合材料领域取得新进展
2023年3月，宁波材料所碳纤维团队在碳纤维树脂基复合材料导热性能研究领域取得进展，相关成果以“Thermal conductivity enhancement of carbon fiber/epoxy composites via constructing three-dimensionally aligned hybrid thermal conductive structures on fiber surfaces”为题发表于 Composites Science and Technology 上。
近年来电子设备正逐渐朝着集成化、小型化和轻量化的方向发展，随着微电子技术的发展和器件功率密度的提高，器件热聚集问题越发明显。碳纤维增强树脂基复合材料因其轻质、高比强、高比刚及易加工等优点，在航空航天、汽车、能源、通信等领域得到广泛应用。研究发现，虽然碳纤维具有较高的热导率，但受限于树脂基体的低热导率及碳纤维、树脂基体间界面热阻的影响，其复合材料的导热性能难以达到理想水平，特别是碳纤维复合材料厚度方向的导热系数通常低于1 W‧m-1 K-1，严重限制其在散热结构件及热界面材料领域的应用。
宁波材料所碳纤维团队在张永刚研究员 带领下开展了聚丙烯腈（PAN）基 高强高模碳纤维国产化技术 的基础研究工作，总结出了诱导三维有序石墨结构形成的关键技术 （Journal of Raman Spectroscopy, 2019, 50, 655; Composites Part B: Engineering, 2019, 164, 476; Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 119, 21等） ，这为高导热高性能碳纤维的制备和生产提供了理论指导。
针对碳纤维复合材料受高热阻树脂基体阻隔及碳纤维各项异性影响所致的厚度方向导热系数较低的问题，研究团队利用碳纤维表面改性技术，以氧化石墨烯（GO）作为接枝桥梁，在碳纤维表面均匀接枝高取向度和结晶度的聚对苯撑苯丙双噁唑PBO层；再通过进一步石墨化，制备了同轴的PAN/PBO复合基碳纤维（其形貌如图1所示），所得单向PAN/PBO-CF环氧树脂基复合材料的面内导热系数提高50%以上，厚度方向导热系数的提高率可达137%，导热系数达2.54 W‧m-1 K-1。相关成果发表于Composites Part B: Engineering, 2022,229:109468。
图1 PAN/PBO复合基碳纤维的形貌特征
为进一步提升单向碳纤维复合材料的厚度方向导热系数，团队人员在PAN基碳纤维表面构建了三维杂化导热结构（图2），以其作为增强体，环氧树脂复合材料的全厚度导热系数提高至5.39 W‧m-1 K-1，解决了单向碳纤维复合材料全厚度方向导热系数低的问题，而通过Agari理论计算模拟得到碳纤维的径向导热系数高达66.57 W‧m-1 K-1，并验证了三维导热结构更易于复合材料内部导热通路的形成（图3）
图2 CNC@PG-G复合碳纤维的制备流程
图3 PAN-CF、CF-Ni/CNT、CNC@PG-G及其复合材料的导热性能
02、研发出第二代碳纤维电阻率测试装置
2023年5月，宁波材料所碳纤维团队推出了第二代高性能碳纤维电阻率测试装置。作为一种含碳量在95%以上的碳石墨材料，碳纤维的导电原理也与石墨导电相类似，纤维内部所有C原子参与形成大π键，从而形成连续能带，每个C可剩余1个能够自由移动电子，沿着连续能带实现导电，但是由于碳纤维具有独特的乱层结构，导致碳纤维层内方向（纤维轴向）导电性显著优于层间（纤维纵向）导电性。
碳纤维团队研制的第二代碳纤维电阻率测试装置
为了便捷快速测试碳纤维导电性能，宁波材料所碳纤维团队科研人员在多年碳纤维研发经验的基础上，发明了一种碳纤维电阻率测试装置，随后经过装置进一步优化设置，成功开发出了第二代高性能碳纤维电阻率测试装置，其实物如上图所示：利用该装置对碳纤维电阻率测试时，通过读取电压、电流表数值，并按照特定公式计算，可以快速实现碳纤维电阻率检测。
03、受邀参加2023吉林省碳纤维产业高质量发展交流会
2023年6月19日，2023吉林省碳纤维产业高质量发展创新合作交流会暨“吉林省关于推动碳纤维及复合材料产业高质量发展若干举措（2.0版）”政策宣贯在长春召开，本次大会由吉林省工业和信息化厅、吉林省市场监督管理厅、吉林省科学技术协会等共同主办，应会议举办方邀请宁波材料所碳纤维团队硕士生导师钱鑫博士与会参加交流。
钱鑫博士主要介绍了高性能碳纤维的典型特性、分类及产品应用形式，综述了碳纤维在民用航空、*用军**航空、航天、汽车、风电等领域的代表性应用，剖析了国外航空、航天用碳纤维发展趋势及最新款产品，概述了国内碳纤维产业的最新发展动态，分析了以电动飞机、*用军**飞机、风电叶片等为代表的典型应用市场未来发展趋势。
04、成功举办第四届中国新材料大会—高性能碳纤维及其复合材料分论坛
2023年10月8日-10月11日，由中国科学技术协会、中国材料研究学会等主办的第四届中国新材料产业发展大会在温州瓯海奥体中心隆重举行。同期 由中国科学院宁波材料技术与工程研究所 、中国航空制造技术研究院、浙江大学共同承办的“高性能碳纤维及其复合材料分论坛”成功举办。
分论坛主席由中国航空制造技术研究院复材中心研究员/中航工业首席技术专家张宝艳、中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员/高性能碳纤维产业化技术浙江省工程实验室主任张永刚担任 。来自国内高性能碳纤维及其复合材料产业链上下游生产企业、科研院所等数十位专家和代表参加了本次活动。 本公众号有幸作为合作媒体积极参与了此次会议 ， 开启了行业技术交流的新篇章 。
本次分论坛邀请到国内碳纤维及其复合材料领域的17位研究学者、知名专家及企业家等，带来了精彩纷呈的主旨报告。会上分论坛主席张永刚研究员致欢迎辞，10月9号来自中国航空制造技术研究院张宝艳研究员、北京化工大李刚教授、南京玻璃纤维研究设计院有限公司乔志炜研究员分别以《航空用碳纤维增强热塑性聚芳醚酮复合材料界面改性与控制》、《碳纤维复合材料用高性能树脂和结构胶膜研究进展》、《先进复合材料用立体织物结构与成型技术》等为题进行了精彩的报告。
▲ 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员/高性能碳纤维产业化技术浙江省工程实验室主任 张永刚
▲ 中国航空制造技术研究院复材中心研究员/中航工业首席技术专家 张宝艳
▲ 北京化工大学新进复合材料中心教授 李 刚
▲ 南京玻璃纤维研究设计院有限公司研究员 乔志炜
随后，来自浙江大学的秦发祥研究员、中国科学院宁波材料技术与工程研究所钱鑫博士、湖南东映碳材料科技股份有限公司/湖南大学黄东博士、中国科学院宁波材料技术与工程研究所于水鑫工程师、中国航天科技集团五院508所李皓鹏高级工程师分别以《基于磁性纤维的复合材料全寿命结构健康监测技术探索》、《高性能碳纤维的典型特征及国内外现状分析》、《中间相沥青碳纤维复合材料及应用》、《国产高强高模碳纤维预浸料研究进展》、《碳纤维在空间遥感相机结构上的应用》等为题作了主旨报告。
▲ 浙江大学功能复合材料与结构研究所研究员 秦发祥
▲ 中国航天科技集团五院508所高级工程师 李皓鹏
10月10日上午的报告交流环节由钱鑫博士主持 ，来自中航高科技股份有限公司李嘉高级工程师、HRC公司王智永博士、湖南博望碳陶有限公司张西岩总经理、浙江大学闫蕾博士、南京工业大学马毅教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所郝梦圆博士后、笙威工程技术服务（上海）有限公司丁晓炯总经理、浙江大学欧阳文婷博士后、浙江大学贡博文博士后分别以复合材料真空成型技术、碳纤维复合材料回收再利用、碳陶复合材料进展、热固性预浸料压实过程研究、碳纤维复合材料无损X射线扫描、高导热碳纤维及其复合材料研究进展、碳纤维生产过程在线黏度测试与控制、仿生螺旋结构复合材料的抗冲击性能、Z-pin增韧碳纤维环氧树脂基层合板的疲劳寿命评估等主题进行了深入浅出的报告。
▲中航航空高科公司高级工程师/航空工业复材主任师 李嘉
▲HRC集团旗下航空分公司副总/博士 王智永
▲ 南京工业大学教授 马毅
05、参研的第三代高性能碳纤维项目顺利通过成果鉴定
2023年11月，中国纺织工业联合会在江苏省丹阳市组织召开了 由江苏恒神股份有限公司、中国科学院宁波材料技术与工程研究所和哈尔滨工业大学共同承担的“超高强高模碳纤维（HF55M）工程化关键制备技术” 项目鉴定会，鉴定委员会认为项目成果达到国际先进水平。
超高强高模碳纤维（HF55M）的拉伸强度≥5800 MPa、拉伸模量≥377 GPa、断裂伸长率≥1.50%，主体性能指标对标了日本东丽公司于2018年11月研发成功的M40X型碳纤维（拉伸强度5700MPa、拉伸模量377GPa）。项目开发了连续长周期聚合及高分子量、窄分布聚丙烯腈纺丝原液制备技术；研发出高温高浓凝固成型技术；研制出聚丙烯腈纤维预氧化碳化结构调控与纳米缺陷控制技术。结合复合式电化学表面处理工艺，研制出完整的超高强高模碳纤维工程化技术。
在兼具高强度、高模量、高断裂延伸的第三代碳纤维领域，宁波材料所碳纤维团队于2015年便开始布局研发工作。2017年在承担相关项目基础上，加快了新型高强高模碳纤维的批量制备工作，2019年7月实现拉伸强度5700-5900MPa、拉伸模量320-340GPa规格M30X型超高强高模碳纤维的批量稳定制备，在线抽样检测纤维强度6023GPa、模量321GPa。
▲团队M30X型超高强高模碳纤维检测报告
2019年10月团队实现拉伸强度5500-5700MPa，拉伸模量360-380GPa规格M40X型新型高强高模碳纤维的批量稳定制备，在线抽样检测纤维强度5625GPa、模量377GPa，关于更多产品特性可延伸阅读《宁波材料所国产高性能碳纤维技术现状与主要产品》。 在2022年公布的一项最新专利技术中，团队已经成功制备得到 拉伸强度≥5000MPa、拉伸模量≥540GPa的M55X型高强高模高延伸碳纤维 。
在本项目中，中国科学院宁波材料所科研 团队主要开展了高温石墨化环境中纤维内部微观结构演变机制研究，明确了基于高强度、高模量、高断裂延伸特性下纤维内部的石墨微晶特征结构，从而为工程化工艺的调控与优化提供一定的指导 。
06、团队高性能纤维标准化体系建设工作取得阶段进展
2023年12月5日，全国碳纤维标准化技术委员会一届六次会议暨标准审议会在成都顺利召开，宁波材料所碳纤维团队两名研究人员参加了本次会议。会上，全体委员审查了6项标准标准的审议、投票和表决，另外，会议还对9家公司提出的11项标准新提案进行了审查和表决。
目前宁波所碳纤维团队拥有国家发改委“碳纤维表征检测服务平台”、中国化学纤维工业协会 “高性能纤维制备及表征检测（宁波）平台”等高性能纤维表征检测服务平台，着力开发各种高性能纤维（碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、玻璃纤维和玄武岩纤维等）的检测方法，平台共开展测试项目共计80多项，有着比较完善的测试体系，已为国内众多单位提供测试服务，在碳纤维表征检测方面得到了业界的广泛认可。
在标准制定领域， 2022年10月，由宁波材料所作为第一起草单位制定的1项国家行业标准 《FZ T 50060-2022 碳纤维 碱及碱土金属含量试验方法》正式 发布实施 ，随后，团队参与制定2项企业标准《T/CSTM 00532—2023 聚丙烯腈基碳纤维中 钾、钠、钙、镁、铁、硅含量的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》和《T/CSTM 00532—2023 黏胶基碳纤维中 钾、钠、钙、镁、铁、锌含量的测定电感耦合等离子体原子发射光谱法》。截止目前，宁波所碳纤维团队先后制定或参与制定10余项国家标准。
在检测体系领域，宁波材料所碳纤维团队测试平台已经建成比较完善的测试体系，有21个碳纤维相关检测方法和6个碳化硅纤维相关检测方法得到CNAS（中国合格评定国家认可委员会）认可与CMA(中国计量)认证。截止目前，平台CNAS认证的标准方法涉及从原料检测、生产过程控制、产品性能表征等标准检测方法。碳纤维领域相关测试项目如：原料丙烯腈纯度和杂质含量、碳纤维原丝拉伸性能、原丝溶剂残留、原丝含油率、碳纤维拉伸性能、碳纤维电阻率、灰分含量等均可出具CNAS认证的检测报告。
通过完善高性能纤维检测方法和建立相关检测标准，平台有力的促进了高性能纤维行业尽快建立统一、客观的评测体系，有助于高性能碳纤维行业步入全面产业化，区域社会经济的可持续发展提供创新性解决方案，推动国内高性能纤维行业的健康、快速发展。
07、团队研究人员受邀参加刹车盘新材料会议
12月19日-20日，由山东省自动化学会、山东省工程师协会、山东装备制造业协会、青岛金诺会展联合主办的刹车盘新材料、新技术、新工艺、新装备研讨会在烟台龙口市东海月亮湾海景酒店隆重举行，应会议主办方邀请中国科学院宁波材料所碳纤维及其复合材料团队钱鑫博士与会作《国内外高性能碳纤维产业现状及碳陶复合材料典型应用》专题报告。
在本文中系统介绍了陶瓷基复合材料的特性与成本，碳纤维增强陶瓷基复合材料常见分类、优异特性及典型应用，着重介绍了国内外碳陶刹车盘发展历程及最新动态等。
