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[材料资讯] 黄玉东:高分子复合材料界面调控关键技术及应用

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发表于 2019-1-8 13:28:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

国家科技进步奖提名公示内容
一、项目基本情况
提 名 者 工业和信息化部
项目名称 高分子复合材料界面调控关键技术及应用
主要完成人
黄玉东(哈尔滨工业大学)、刘丽(哈尔滨工业大学)、赵峰(哈尔滨工业大学)、胡桢(哈尔滨工业大学)、贺金梅(哈尔滨工业大学)、张如良(哈尔滨工业大学)、张庆波(哈尔滨工业大学)、邢丽欣(哈尔滨工业大学)、白永平(无锡海特新材料研究院有限公司)、余赞(常德金德新材料科技股份有限公司)


二、提名意见
(适用于提名机构和部门)
提 名 者 工业和信息化部
提名意见:
我单位认真审阅了该项目推荐书及附件材料,确认全部材料真实有效,相关栏目均符合国家科学技术奖励办公室的填写要求。界面是复合材料特有的、极其重要的组成部分,对材料的性能起着重要的甚至是决定性的作用,界面调控已成为复合材料发展迫切需要解决的问题。如何通过界面调
控实现复合材料强度、韧性、耐热性同时提高,已成为复合材料领域竞相研究的热点和难点。
该项目提出了多尺度界面调控的新思路,该项目的创新点在于:设计和发明了可控结构的线性反应型新型界面调控剂;建立了相反转点在线跟踪控制技术;通过表面改性构筑了相容性好的纳米界面相体系,实现了复合材料综合性能的同时提高。该项目形成了完整的界面调控工程生产能力,并已在航空、航天等领域的某些重点型号上列装应用。提高了我国复合材料界面调控的自主创新能力和技术水平,打破了国外技术封锁,形成了成熟的自主创新体系。该技术整体达到国际先进水平,耐湿热等核心关键指标达到国际领先水平。项目曾获 2018 年度黑龙江省科学技术一等奖。对照国家科技进步奖授奖条件,提名该项目申报 2019 年度国家科技进步奖二等奖。



三、项目简介
界面是复合材料特有的、极其重要的组成部分,对材料的性能起着重要的甚至是决定性的作用,界面调控已成为复合材料发展迫切需要解决的问题。如何通过界面调控实现复合材料强度、韧性、耐热性同时提高,已成为复合材料领域竞相研究的热点和难点。


该项目面向国家重大战略需求,针对高分子复合材料对耐温性、湿热老化性、界面粘接性以及功能性界面调控的迫切需求,从多尺度界面区域的设计与控制入手,紧紧围绕“高分子复合材料界面增强增韧”的关键问题持续攻关,在国家自然科学基金重点项目、国家 863 项目、国防 973 项目、总装重点预研等项目的支持下,研发了具有自主知识产权的工艺工程技术,解决了制约复合材料用界面调控的核心技术问题。取得如下成果:
一、可控结构的线性反应型新型乳化剂及其合成技术:基于分子动力学模拟和体系相容性研究,明晰了乳液稳定性与乳化剂组成、微结构的密切相关性,创新设计了可控结构的线性反应型乳化剂结构,突破了低乳化剂含量下乳液的高稳定性的难关,解决了制约界面调控剂性能的核心技术问题。
二、相反转点在线跟踪控制乳液制备技术:建立了相反转点在线跟踪控制技术,解决了低乳化剂含量、高固含量自乳化界面调控剂微乳液的关键工艺控制难题。实现了调控剂的均匀分散乳化,使粒度 (d50)控制在 100 nm 左右,固体含量达到 50%,性能优于日本同类产品。
三、复合材料界面微结构表征与优化控制技术:建立了复合材料界面相的控制和表征方法,通过乳化剂与系列纳米粒子表面原位化学反应,制备了含纳米组元的界面调控剂,解决了复合材料界面结合性能、断裂韧性、耐(湿)热性同时提高的国际难题。项目发表论文 128 篇,其中 SCI 收录 103 篇,获得国家授权发明专利 40 项,解决了界面改性剂耐(湿)热性、稳定性不可兼具以及其对复合材料工艺性和界面匹配性的国际性难题,与国际上最优秀的日本产上浆剂的技术指标相比,具有独创性与先进性,核心关键指标达到国际领先水平。本项目相关技术已在我国航空三代机和四代机以及航天飞行器等重要型号上定型应用,同时还在功能二维高分子复合材料领域批量应用,产生显著的经济和社会效益。该项目提高了我国高分子复合材料的自主创新能力和技术水平,推动了我国复合材料及相关行业的技术进步。项目获得 2018 年度黑龙江省科学技术一等奖。


四、客观评价
(1) 鉴定会高度评价了本项目成果,认为“该项目设计和发明的可控结构的线性反应型新型乳化剂,实现了低乳化剂含量下的高稳定性,解决了制约上浆剂性能的核心技术问题;建立的相反转点在线跟踪控制技术,解决了低乳化剂含量、高固含量自乳化环氧微乳液的关键工艺控制难题;建立了碳纤维复合材料界面相的控制和表征方法,通过乳化剂与纳米粒子化学复合,形成了纳米上浆剂,解决了复合材料界面结合性能、断裂韧性、耐热性同时提高的国际难题;形成了完整的国产碳纤维千吨线上浆剂生产能力,并已在航空航天等领域的某些重点型号上列装应用。该项目提高了我国乳液上浆剂的自主创新能力和技术水平,打破了国外技术封锁,形成了成熟的自主创新体系。该技术整体达到国际先进水平,耐湿热等核心关键指标达到国际领先水平”。
(2) 应用单位评价“哈工大研制的新型纳米尺度环氧乳液上浆剂,实现了环氧树脂的均匀精细的分散乳化”、“解决了国产碳纤维复合材料应用的工艺性、界面结合性和高温稳定性的难题,保证了国产碳纤维复合材料的湿、热、力等苛刻条件下的性能可靠性和稳定性”、“将国产碳纤维在航空、航天领域的应用推向更高的层次”。
(3) 美国 University of New Orleans 先进复合材料实验室主任、复合材料和机械工程领域专家、国际著名复合材料杂志 Composites B: Engineering 主编 David Hui 教授指出本项目提出的新的技术方法可以有效避免纤维表面产生缺陷,减少纤维表面应力集中点和纤维表面裂纹的产生和扩展,降低纤维强度损失,有效提高复合材料界面性能;新的技术还解决了纳米粒子在液体中均匀稳定分散的难题,避免纳米粒子的团聚,增加了纳粒子在碳纤维表面的数量和分布均匀性,同时弥补了纤维表面缺陷,改善了复合
材料界面性能。
(4) 德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所复合材料系主任、世界著名复合材料领域专家 Edith Mader 教授在国际权威复合材料杂志 Composites Science and Technology上发表的文章中引用本项目成果的 12 篇文献,充分肯定了本项目在复合材料界面调控领域所做的贡献,指出本项目所提出的上浆剂分子量控制等关键工艺参数是提高碳纤维表面能和复合材料界面性能的关键,对于指导新型上浆剂的开发和碳纤维工业生产具有重要意义。
(5) 高分子材料领域专家、中国工程院蹇锡高院士在所发表的文章中大量引用本发明成果,充分肯定了本项目所提出的多种复合材料界面调控技术对复合材料界面改性方法和理论的贡献,并引用本项目方法来指导碳纤维复合材料界面改性,使界面性能取得了显著的提高。
(6) 纳米材料和功能界面材料领域专家、中国科学院江雷院士借鉴本项目提出的通过在碳纤维表面引入纳米线的方法改善复合材料界面性能的技术手段,在其基底材料的表面构筑出规整的纳米结构,解决了乳液分离过程中影响材料表面能和浸润性的技术难题。
(7) 法国国家科学院 Paul Pascal 研究中心主任、《Science》杂志编辑 PhilippePoulin 教授在其发表在《Advanced Materials》杂志的文章中指出,本项目所用的技术方法解决了纳米粒子的分散难题,同时,将纳米粒子通过化学键与纤维表面连接的方法保证了界面应力在界面的均匀传递;本技术的使用帮助纳米粒子在复合材料界面相中均匀分散,解决了将纳米粒子引入复合材料界面后带来的应力集中的难题,确保了复合材料综合力学性能得到最大程度的提高。
(8) 本项目提出的复合材料界面调控技术、乳液上浆剂制备技术、纳米上浆剂制备技术、复合材料界面表征新技术等成果得到了国际学者的验证和广泛认可,并被美国、英国、法国、德国、比利时、韩国、新加坡等十余个国家的学者用来指导其复合材料及其界面改性研究。
(9) 经权威部门提供的产品质量监督检验报告,表明本项目中上浆剂粒度 d50在 100 nm 左右,固含量达到 50%,上浆剂的起始分解温度达到 288 ℃,达到国际先进水平。
(10)经权威机构出具的科技查新报告表明,本项目提出的可控结构线性反应性乳化剂、相反转点在线跟踪控制方法和具有纳米结构的上浆剂在国内外所查文献中除委托人发表文献外未见相同报道。



五、应用情况
本项目研制的复合材料界面调控关键技术解决了复合材料界面结合性能、断裂韧性、耐热性同时提高的国际难题,2008 年以来,已形成了界面调控剂成熟稳定的批产能力,在我国航空、航天等领域成功应用,尤其是在我国三代和四代战斗机上定型应用列装(包括机翼、垂尾、机身等结构部件)。同时在功能高分子复合薄膜材料领域实现了规模化应用,提升了我国界面调控剂在国内外市场上的竞争力,产生明显的经济效益。




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