产业计量学在碳纤维及其复合材料行业的应用

将产业计量学融入碳纤维及其复合材料全寿命周期 (产品研发、设计、生产、检测、使用、回收全过程) , 开展产业计量测试服务对提高碳纤维性能, 提升产业核心竞争力, 推动碳纤维军工、民用应用领域产业发展具有极其重要的意义。

国内目前91%以上的碳纤维制造集中在聚丙烯腈 (PAN) 碳纤维及其复合材料产业, 包括:碳纤维制造、碳纤维复合材料制造、碳纤维及其复合材料生产设备制造、碳纤维及其复合材料原辅料制造四大领域, 涵盖从设计、制造、检测到应用全产业链。为此在研发设计阶段就要考虑产品技术指标的计量总体要求。这就需要计量检测机构参与到设计阶段的工作中, 密切配合设计方, 实现关键参数、关键工序的测量与控制, 确保设计的可靠性、可计量性。

碳纤维及其复合材料生产设备设计阶段重点关注的计量参数有: (1) 热学类参数:碳纤维及复合材料加工工艺高温测量 (100℃~1000℃) 、碳纤维碳化石墨炉超高温测量 (1000℃~3000℃) 、循环利用温度测量等; (2) 几何学类参数:长度、直径、角度、位移、平行度、垂直度、同轴度、同心度、粗糙度等; (3) 力学类参数:反应釜扭矩力、真空压力、牵伸力、喷丝压力、脉动值等; (4) 化学类参数:纺丝液聚合度、黏度、浓度、p H值、电导率值、污染物排放值等。

在生产阶段中, 碳纤维的生产即聚合成丝及碳化过程工艺长、影响质量控制点多, 是碳纤维及其复合材料整体性能高低的关键, 该阶段的计量服务十分重要。在此阶段, 除碳纤维及其复合材料生产设备应严格按研发设计图纸进行制造、碳纤维及其复合材料原辅料应按配方研发设计严格计量等基础工作外, 更需要针对性地开展实现碳纤维生产线的关键工艺参数在线、动态、精密测量等计量服务。

对原、辅料实行精密检测, 如:丙烯腈、衣康酸、二甲基亚砜等原辅料各自的酸度、浓度、固含量、环氧值、表面张力、粒径等参数的测量。

碳纤维及其复合材料生产设备生产过程使用的三坐标测量机、数控机床、几何量测量仪器, 主要包括直径、角度、圆度、平行度、垂直度、同轴度、粗糙度、外廓尺寸、内廓尺寸等参数的测量。

碳纤维及其复合材料生产过程检测主要是在线检测, 包括: (1) 接触式检测, 如纺丝液聚合黏度测量、二甲基亚砜浓度测量等; (2) 非接触式检测, 如反应器 (氧化炉、高温炉) 温度场、风场测量等; (3) 快速检测, 如喷丝板孔径尺寸 (洁净度) 快速检测等; (4) 生产线上传感器及仪表在线检测, 如温度传感器、压力传感器及二次仪表等检测; (5) 动态检测, 如纺丝牵伸、水洗工序的张力场检测等; (6) 在线校准, 如碳化炉中废气检测的氧分析仪在线实时校准等。

为确保碳纤维复合材料在应用领域的最终产品使用性能, 对产品进行专业检测, 需要全面开展计量服务, 主要包括: (1) 碳纤维原丝检测, 如分子量分布、强度、模量、纤度、结晶度、取向度、热失重量、玻璃化转变温度、碱金属含量等; (2) 碳纤维检测, 如单纤维直径、线密度、体密度、膨胀系数、灰分量等; (3) 碳纤维复合材料检测, 如拉伸强度、拉伸模量、压缩强度、压缩模量、弯曲强度、弯曲模量、剪切强度、剪切模量等。

使用阶段的检测一般在碳纤维材料应用领域的检测机构进行, 如大飞机上使用的碳纤维材料制作的机翼, 模拟其实际使用空间环境进行力学和耐疲劳测试评价。产业计量机构也应根据需要和整体分工积极参与进去, 为使用碳纤维材料的产品检测 (如力性能检测、防爆检测、耐疲劳检测、耐温性能检测等) 提供计量技术支持。

当使用碳纤维材料的产品需要报废时, 可为分类、分部位性能评价以及安全环保类检测等提供计量服务, 提高利用率, 降低环境污染。同时将计量服务引入碳纤维基体 (如:热塑性树脂等) 和界面结合的相关研究中, 提高碳纤维回收利用率。