北京化工大学常州先进材料研究院.docx

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北京化工大学常州先进材料研究院

北京化工大学常州先进材料研究院

碳纤维复合材料工程技术中心简介

北京化工大学化常州先进材料研究院碳纤维复合材料工程技术中心是依托北京化工大学有机无机复合材料国家重点实验室建设的高技术实验室，实验室主要开展以碳纤维复合材料和生物复合材料为代表新材料领域的研究。

实验室重要从事碳纤维预浸料、碳纤维复合材料基体树脂、复合材料拉挤成型、缠绕成型、模压成型、真空灌注成型等技术研究。

中心团队主要人员包括杨小平教授、隋刚教授、于运花教授、蔡晴教授、武德珍教授、汪晓东教授、杜中杰教授、李刚副教授、李鹏副教授、贾晓龙副教授等。

碳纤维复合材料预浸料工业化技术

技术简介

碳纤维产业是由原丝（PAN）生产到预浸料再到具体的复合材料终端制品的产业链，而预浸料作为复合材料的中间制品，成为整个产业链中的关键一环。

本项目基于国产碳纤维的产能扩张，结合不同级别国产碳纤维（T300、T700、T800）的表面特性，自行设计了不同耐温等级的环氧树脂体系，研发了系列化（80、100、120、160、180度）的预浸料专用树脂体系，开拓了国产碳纤维的下游加工应用。

采用混合树脂环氧值的调配技术改善国产碳纤维与树脂基体的匹配和相容性，采用柔性链段预反应技术控制预浸料的面密度均匀性和树脂基体的流动度，实现了增强体的良好浸润和浸渍，并拓宽了复合材料成型的加压窗口，在国内预浸料行业中达到领先水平。

本项目的技术方案主要包括预浸料专用树脂体系的制备及评价、树脂体系胶膜的制备及评价、国产碳纤维的评价及界面优化、复合材料预浸料的制备及评价等。

预浸料的主要应用领域包括航天航空、风电叶片、体育用品、交通运输、船舶码头、电子产品等，目前本项目的产品已成功应用在体育用品、汽车复合材料和电子材料等领域。

技术指标

预浸料专用环氧树脂体系技术指标

环氧值（eq/100g）0.25-0.80

粘度（cPa.s25℃）10000-100000

密度（g/cm3）1.16-1.25

可使用期（涂膜温度）3-4h

断裂伸长率（%）3

固化温度（℃）80-180

预浸料技术指标：

单位面积碳纤维质量（g/m2）50-600

树脂含量（%）25-50

厚度（mm）0.05-0.50

外观平整，无毛团

贮存期限室温15天-90天

碳纤维复合材料性能指标：

弯曲强度（MPa）1500-1800

弯曲模量（GPa）110-140

层间剪切强度（MPa）80-100

市场分析

针对国内市场需求，中温固化预浸料可用于钓鱼竿、网球拍、碳纤维自行车等制品，中低温固化预浸料可用于汽车复合材料、风电叶片等领域，高温固化预浸料可用于航天航空等耐热制品。

随着碳纤维的发展及成本价格下调，预浸料必将具有非常广阔的应用前景。

效益分析

以最普通的单向碳纤维预浸料为例，其利润空间为5-10元/米，采用宽幅1米的预浸机设备投资约600万元，每年的产量应该在100-150万米，因此利润空间在500-1000万之间，投资成本应该1-2年收回，经济效益比较可观。

另据资料报道，目前国产碳纤维的产能达到5万吨/年，除了航天航空、体育用品消耗小部分外，其最大用途应是汽车复合材料，主要应用形式仍旧是预浸料中间体，因此预浸料行业的经济前景看好。

项目投资估算

设备费用：

混合反应釜（100L）：

80万元

胶膜机（带红外监测）：

400万元

预浸复合机（宽幅1米）：

400万元

分析测试设备：

含电子天平（2台）、真空烘箱、旋转粘度计、凝胶时间测定仪等分析设备，总投资约20万元

厂房要求：

车间面积大于3000平方米，其中树脂配混间400平米，质量检测室100平米，长度大于60米，高度大于6米，另外需要自备原料库房、产品冷库等，库房面积≥3000平方米

水、电、气配套要求

总装机容量150千伏安；

冷却水（循环水）5吨/小时；

压缩空气：

1MPa

碳纤维复合材料抽油杆连续制造技术及装备

基于CFRP的轻质、高强、疲劳性能优异和耐腐蚀等特性，开展了高性能CFRP制品的连续拉挤制造技术研究。

创制了长期耐温（90、120和150℃）的树脂基体体系，突破了高体积含量的碳纤维连续拉挤成型的技术瓶颈及关键装备，发明了CFRP连续抽油杆（CN1252370C;CN100351070C;CN101396874B）。

通过CFRP连续抽油杆环境失效评价研究，阐明了其可长期服役的机制。

建立了以连续抽油杆为核心的新型采油装备及系统，形成了CFRP抽油杆成套技术（SY/T6583-2003行业标准）。

CFRP连续抽油杆已成功工业规模应用50口油井次，实现了抽油杆从1000米、1500米以及2500米连续长度制造，可以满足泵挂在2000米，3000米的开采需要，2800米最深下井油井处于国际先进水平。

中试生产设备位于北京化工大学常州先进材料研究院内，单条生产线场地约为50米*10米，单挑拉挤线投资约为150万元，拉挤配套设备投资约为100万元。

碳纤维复合材料的高性能树脂基体

碳纤维及复合材料是新材料领域占首位的关系国家战略安全的关键材料，其树脂基体与碳纤维间的界面调控是实现碳纤维复合材料高性能化的核心科学问题和需突破的关键技术难题。

基于碳纤维-上胶剂-树脂基体间“双界面//双界面相”化学相容的界面设计思想，发明了与高性能碳纤维（T700/T800/T1000）界面匹配且其粘度-适用期-成型工艺-固化制度协同配合的系列树脂基体。

在深入分析高性能碳纤维的表面性能、微结构及界面特性的基础上，从相似相容的基本原理出发，自主开发不同耐温等级的环氧树脂体系，对于开拓国产碳纤维的下游加工应用具有重大意义。

开发了系列化（80、100、120、160、180度）的预浸料专用树脂体系，开发了长期耐温（90、120和160℃）的拉挤成型树脂体系，开发了系列化的缠绕用环氧树脂体系，突破了国产碳纤维与树脂基体的界面相容和工艺匹配，实现了韧性、刚性和耐热性三者之间的协调，为高性能碳纤维复合材料在各领域的应用提供基础支撑。

投资规模、场地等需根据实际情况面谈。

碳纤维复合材料电缆芯拉挤成型技术

碳纤维复合材料电缆芯是国家经济发展所急需的材料之一，国内市场巨大，是被列入国家“十二五”重点发展的几种高性能纤维复合材料之一，可以充分利用碳纤维复合材料高比强、高比模、低热膨胀系数、耐腐蚀、低线损等优异性能，达到“安全、多输电、低成本、节约资源”目的。

碳纤维复合材料电缆芯导线（ACCC）的拉伸强度要比传统的钢芯导线（DRAKE）高30%，ACCC不存在钢导线引起的磁损和热效应，在输送相同电负荷的情况下可以较少输电损失，复合材料的线膨胀系数小，在用电高峰期ACCC弧垂的变化将比DRAKE减小40%，复合材料的密度约为钢的1/4，承载能力也增加20%，降低成本效果明显。

本项目利用碳纤维拉挤抽油杆的成熟技术进行研发，开发的产品在力学性能、耐热性能、耐候性及高温耐弧垂性能方面均有明显优势，将填补目前国内碳纤维复合电缆芯的技术缺陷，并在输电架空导线领域逐渐代替传统的钢芯铝绞线。

复合材料电缆芯中试产品经检测，主要技术指标达到即将颁布的复合芯国家标准。

本项目关键技术已申请发明专利4项，已授权1项。

中试生产设备位于北京化工大学常州先进材料研究院内，单条生产线场地约为50米*10米，单挑拉挤线投资约为150万元，拉挤配套设备投资约为100万元。

碳纤维缠绕成型成套技术

高性能碳纤维在力学性能和界面特征方面的特点对高比强度、高比模量的碳纤维复合材料制品的缠绕成型的关键技术突破提出了迫切需求。

基于网格理论建立了高性能碳纤维的缠绕线性、缠绕层数以及缠绕角度的设计和实施方法。

以T700/T800/T1000碳纤维为增强体和创制的环氧树脂为基体，通过缠绕成型成功创制了薄壁金属内衬气瓶、固体火箭发动机壳体容器和兵器XX导弹的复合材料线轴等产品（ZL200810074460.3;200810077345.1;200710080611.1;201110011035.1等国防专利）。

其中，针对航天XX大运载结构储箱的增压及为动力系统供气的气瓶研发的树脂基体，实现了与T700增强体的匹配，已通过了大于80MPa水压爆破、400次水压疲劳、100次充放气及气瓶的单机震动试验考核，实现了航天产品的高效和减重，保障了XX型号的成功研制；原创性研发的复合材料线轴，实现了碳纤维的结构强度与热膨胀各向异性的功能一体化，已为兵器XX型号导弹提供了XXX套供货产品。

本项目的关键技术申请发明专利3项。

碳纤维复合材料气瓶缠绕成型技术及应用

以树脂与高性能纤维界面性能研究为基础，本项目开展高性能碳纤维（T700、T800、T1000）以及其它高性能纤维（Kevlar、PBO、GF）界面相容的树脂体系及成型工艺研究，研发了系列化的缠绕用环氧树脂体系，实现了高性能纤维的强度转化，并通过专用树脂体系固化制度的调控，碳纤维缠绕气瓶结构的合理设计，缠绕角度和缠绕线型等工艺参数的优化，特别是发展了国产碳纤维（吉化T700、T800）复合材料气瓶等制品。

碳纤维缠绕成型复合材料气瓶的高比强度、比模量以及低密度特点得到充分发挥，本项目研制的产品可应用于大运载火箭的增压气瓶、医疗器械、压缩天气储运、新能源汽车等国防和民用领域，并经航天材料及工艺研究所试验证明实现了航天部件的高效、减重要求。

单套缠绕设备占地10米*10米，投资50-150万元。

碳纤维汽车传动轴成型技术

与传统金属传动轴相比，碳纤维汽车传动轴部件转速快，不易变形，重量轻、耐腐蚀，同时能够改善传统金属汽车传动轴的N·V·H性能，提供了安静怡人的驾驶环境。

英国GNK公司自1988年开始研发碳纤维传动轴，并在RenaultEspaceQuadra、ToyotaMarkII、Audi80/90Quattro、AudiA4andA8Quattros等车型上应用，美国摩里逊公司采用Zoltek公司的48K碳纤维年生产量为60万根传动轴，日本采用东丽碳纤维生产的碳纤维汽车传动轴已经在阿斯顿•马丁DB9，阿斯顿·马丁V8VantageCoupe，阿斯顿马丁V12Vantage，马自达RX-8，MMCPajero越野车。

本项目利用碳纤维复合材料的高比强度、比模量的特点，在原有缠绕专用树脂体系与成型工艺的基础上，采用缠绕成型技术制造碳纤维汽车传动轴，实现汽车传动轴的一体化、轻量化以及节能省油的目的。

碳纤维汽车传动轴部件可以减重40%以上，实现整车节油2%以上，临界转速提高到8000rev/min。

本技术产品在北京化工大学常州先进材料研究院内有展品，可参观，投资规模、场地等需根据实际情况面谈。

碳纳米管增强碳纤维复合材料技术开发

纳米填料由于其较高的比表面，加入到树脂基体中容易发生团聚现象，失去了纳米材料应有的作用。

本项目在国家项目的支持下，开展纳米填料（如碳纳米管）的表面接枝反应技术，制备反应性液体纳米增强体。

将该反应性液体纳米增强体添加到高性能树脂基体中，得到的树脂体系易分散，粘度低，而且能够提高树脂基体的模量、韧性和耐热性，进一步改善碳纤维复合材料的性能。

能够满足T700、T800、T1000碳纤维复合材料用树脂基体及缠绕、拉挤、预浸料等成型技术要求，实现碳纤维缠绕复合材料壳体、专用高模量筒体、航天用碳纤维复合材料气瓶等实际应用。

本项目的关键技术申请发明专利3项。

投资规模、场地等需根据实际情况面谈。

液体成型低成本碳纤维复合材料汽车件技术

采用碳纤维复合材料制造的汽车部件是目前唯一能够实现轻量化、安全性和乘员舒适性三者统一的新材料，可以大幅度降低汽车的CO2排放，提高燃油效率，降低汽车自身重量以及同时保证安全与乘用舒适。

通过发明的真空辅助成型技术（ZL200910086242），采用碳纤维织物为增强材料，将液体环氧树脂或乙烯基酯树脂基体体系注入预先铺好层的模具内，应用真空辅助成型制备了一种具有结构强度和表面功能一体化的汽车件。

实现了轻量化与结构强度统一的CFRP汽车构件整体成型制造，解决了制约CFRP规模应用的低成本与高性能之间的技术难题。

汽车用复合材料已占全球复合材料总量的23%以上，其中碳纤维复合材料成逐步上升的趋势。

采用碳纤维复合材料可使大众型轿车从1340公斤轻量化为970公斤，如日本丰田力争在2011年实现中小轿车轻量化10%，尼桑轿车在2015年实现轻量化15%，三菱2010年在概念车上实现30%轻量化。

主要包括车身及车身部件：

车身壳体、地板、车门、前端板、阻流板等；悬挂部件：

前后保险杠、仪表板等；动力部件：

传动轴、导流罩、发动机外壳等；车内装饰：

门内饰板、车门把手、仪表盘等。

本项目产品已实现在国际市场上销售，2009-2011年间出口创汇超过1500万美元，取得了良好的经济和社会效益。

本项目的关键技术申请发明专利1项。

本技术在北京化工大学常州先进材料研究院由大量展品，可参观，具体投资规模、场地等需根据实际情况面谈。

碳纤维复合材料结构件真空辅助成型技术

“十一五”期间，我国风力发电飞速发展，然而其制造工艺与叶片设计均来源于国外，受国外的技术及材料的控制比较严重，国内自主研发的树脂体系严重滞后。

本项目在企业横向项目的支持下，针对大型风力发电机叶片，展开真空辅助复合材料成型工艺和真空辅助复合材料成型用树脂体系的研究及开发利用。

所研制的真空辅助环氧树脂体系的性能指标均达到行业指标，而且利用在一定的真空度下，将低粘度的环氧树脂基体注入增强纤维体的真空辅助成型工艺，固化得到复杂结构形状的复合材料制品，其性能得到了很大的提高。

本项目的关键技术申请发明专利1项。

投资规模、场地等需根据实际情况面谈。

分户电采暖用碳纤维导电复合材料成套技术

碳纤维由于具有良好的导电性能，应用在电采暖领域的热传导率高，且使用过程中低碳环保，完全符合国家节能减排方向的发展，市场前景广阔。

本项目在企业横向合作项目的支持下，研发了一种分户电采暖用碳纤维复合材料，将碳纤维电热线通过复合材料成型工艺制备成室内装饰品型电采暖，该产品能够吸附异味气体、耐热、耐酸碱和节电的优点，而且由于该分户用电采暖用碳纤维复合材料是通过远红外发热，因此具有保健功能。

投资规模、场地等需根据实际情况面谈。

碳纤维增强热塑性工程塑料

碳纤维增强工程塑料复合物具有比传统玻纤增强工程塑料体系无法比拟的抗拉性、抗弯曲性、耐磨性、耐疲劳性等一系列优异性能，其比强度大于铝镁合金，质量却轻于铝镁合金，并具有铝镁合金所不具备的隔热性。

国产碳纤维长丝增强工程塑料关键技术的研发思路是基于当前我国碳纤维产业大力扩张的局面。

“废丝”由于碳化温度不够，通常拉伸强度在2.0-3.0GPa左右，因此不能用于正常的碳纤维复合材料的制造。

然而，通常增强用无碱玻纤拉伸强度不超过800MPa；采用碳纤维废丝替代无碱玻纤作为工程塑料的增强材料，其性能绰绰有余。

利用碳纤维废丝增强技术来制备工程塑料改性材料是一类全新的高性能化和功能化工程材料，具有显著的性能／价格比。

投资规模、场地等需根据实际情况面谈。

口腔数字化桩核生物复合材料

残冠、残根是口腔临床上十分常见的大面积牙体缺损，通常采用桩核修复技术进行治疗后恢复牙齿的功能和美观，而进口纤维桩价格昂贵，与国人牙齿的形状、大小和颜色匹配性差，限制了纤维桩在我国的推广应用。

本项目受国家863（2007AA03Z351,2011AA030102）和国家支撑项目（2006BAI16B05,2012BAI07B08）的支持，基于碳纤维拉挤成型的技术基础，针对牙齿残根残冠的桩核修复临床需求，设计和制造了符合国人牙齿解剖特征及生物力学要求的系列纤维增强桩核口腔材料及产品，获得了注册证（国食药监械（准）字第2011第3631227号），替代了国外同类产品，显著降低了价格。

本项目关键技术申请发明专利3项。