單絲載千鈞--日美競相突破第三代碳纖維技術

碳纖維複合材料成形。

近年來，日美第三代碳纖維研究不斷獲得突破。繼2014年日本東麗公司研製成功T1100G新型碳纖維，2015年7月，在DARPA資助下，美國喬治亞理工學院創新聚丙烯腈基碳纖維紡絲技術，將碳纖維模量提高到了一個新的里程碑，超過了目前在軍機中廣泛採用的赫氏IM7碳纖維，標誌著美國繼日本之後，成為世界上第二個掌握第三代碳纖維技術的國家。日美先後突破第三代碳纖維技術，將為兩國大幅度提升航空武器裝備性能提供了巨大的技術空間。

碳纖維已經成為關鍵材料

碳纖維複合材料輕質、高強、高模，可比傳統鋁合金結構減重30%，對武器裝備性能提升貢獻巨大，被廣泛用於製造航空器機體及發動機、導彈外殼等。美國F-22、F-35戰鬥機的碳纖維複合材料用量比例分別達到24%、36%，以空客A350、波音787為代表的新型大型民機的用量比例更是達到了50%以上。碳纖維複合材料的運用已成為衡量武器裝備先進性的標誌之一。碳纖維是構成複合材料的關鍵原材料，承擔著複合材料約90%的載荷，其拉伸強度和彈性模量是實現複合材料結構性能目標的關鍵。

日美壟斷著高端碳纖維市場。高端碳纖維絕大部分是小絲束的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維。目前全球最主要的6家小絲束碳纖維供應商的佔比情況是：日本東麗公司35%～40%、東邦公司23%、三菱麗陽公司14%；美國赫氏公司12%、氰特工業公司8%；台灣塑料工業和英國SGL公司3%～5%。日本3家企業的碳纖維約佔全球70%～80%的市場份額，其中東麗公司產能最大，產品性能最好，是全球最大的碳纖維供應商，代表了日本最高的技術水平和研發實力。美國的2家企業市場佔有率約為20%，其中赫氏公司擁有40多年為美國軍機開發應用碳纖維的經驗，能夠自主生產供應碳纖維，是美國中模量碳纖維技術的領導者；氰特工業公司以碳纖維的後續產品預浸料為主，碳纖維產品性能和研發能力低於赫氏。台灣塑料工業公司及SGL的產品性能略低於日本和美國的水平。

日本和美國在廣泛應用的第二代碳纖維產品上性能相當。碳纖維以拉伸強度和彈性模量為主要指標，目前商業化產品已經發展到第二代。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戰鬥機的平尾等。第二代以上世紀80年代東麗公司的T800和赫氏公司IM7的高強中模碳纖維繫列為代表，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%，大量用於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%，大量用於美國的「三叉戟」Ⅱ潛射導彈及F-22、F-35戰鬥機等。

第二代碳纖維模量偏低，

限制了航空武器裝備性能提升

第二代碳纖維難以滿足新一代航空武器裝備的性能要求。現階段，航空航天等領域最廣泛應用的是第二代高強中模碳纖維，由於模量偏低，且碳纖維材料脆性大，易導致複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。隨著美國啟動第六代戰鬥機、新一代遠程轟炸機、第一代無人艦載作戰飛機的研製，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、衝擊性能等綜合性能更高的碳纖維。儘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。

第三代碳纖維的主要技術特徵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製的技術難點。原絲製備和碳化是碳纖維製備的兩個關鍵工藝：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。多年的碳纖維研製經歷表明：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製中的最大難題。

日美從兩條不同的途徑

突破了碳纖維技術瓶頸

日本東麗公司通過突破碳化工藝，使碳纖維強度和模量同時提升10%以上，率先突破了第三代碳纖維技術。東麗公司認為，碳纖維同時獲得高拉伸強度和彈性模量的關鍵在於碳化過程中的熱處理技術及高溫設備。在熱處理技術方面，溫度、牽伸、催化、磁場等許多因素都會影響纖維碳化後的性能。2014年3月，東麗宣布研製成功的T1100G碳纖維，標誌著日本的碳纖維商業化產品即將跨入高強高模的第三代。東麗利用傳統的PAN溶液紡絲技術，精細控制碳化過程，採用先進的納米技術，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，對碳化後纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進行控制，從而使強度和模量都得到大幅提升。T1100G的拉伸強度6.6吉帕，比T800提高12%；模量324吉帕，提高10%，正進入產業化階段。

美國喬治亞理工學院研究小組通過突破原絲製備工藝，在保持碳纖維高強度同時，模量提升28%以上。赫氏公司的碳纖維產品30年來一直停留在中模水平，性能難以突破。DARPA在2006年啟動先進結構纖維項目，目的是召集全國優勢科研力量，開發以碳纖維為主的下一代結構纖維。喬治亞理工學院作為參研機構之一，組建了專門的碳纖維生產線，從原絲製備工藝入手，提高碳纖維模量。2015年7月，該研究小組利用創新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術，將碳纖維拉伸強度提升至5.5～5.8吉帕，拉伸模量達354～375吉帕。雖然拉伸強度和IM7相當，但模量實現28%～36%的大幅提升。這是目前報道的碳纖維高強度和最高模量組合，機理是凝膠把聚合物鏈聯結在一起，產生強勁的鏈內力和微晶取向的定向性，保證在高模所需的較大微晶尺寸情況下，仍具備高強度。證明美國具備了第三代碳纖維產品的自主研發實力。

日美兩條不同的技術途徑都能獲得高強高模碳纖維。從目前的研究成果來看，東麗的第三代碳纖維產品強度更高，更適用於抗拉強度設計值高的結構件；美國的產品模量更高，更適用抗彎、抗衝擊、抗疲勞強度設計值高的部件。日美相關企業和機構都明確表示第三代碳纖維的應用目標是航空航天高端市場，替代目前的T800和IM7第二代碳纖維產品，提高軍機結構部件強度、剛度等綜合性能，減薄結構厚度、減輕重量，提高飛行速度、大幅提升機動性能。東麗是傳統PAN溶液紡絲技術的先驅，原絲技術高度成熟，產業化能力強，從一、二代產品來看，其第三代產品有望在未來5～10年實現工業化生產並全面投放市場。美國放棄傳統溶液原絲製備工藝，採用凝膠紡絲技術，有更大餘地對工藝優化，碳纖維性能也有更大提升空間。美國計劃於2030年前後面世的第六代戰鬥機、新一代遠程轟炸機、第一代無人艦載作戰飛機極有可能通過應用第三代碳纖維技術而大幅提高作戰性能。

結語

日美壟斷了高性能碳纖維的技術和市場，並且對我國採取嚴密的產品禁運和技術封鎖。從日美積極研發第三代碳纖維，我們可以得出：一是美國在日本碳纖維對其充足供應的情況下，從第一代碳纖維開始一直堅持走國內自主研發、自主保障的道路，充分展現了碳纖維對國防安全的戰略意義。我國第二代碳纖維技術尚未全面突破，如不及時跟進第三代碳纖維的技術開發，會造成與國外下一代航空武器裝備性能差距的加大。因此，我國應在部署第二代碳纖維產業鏈的同時，前瞻性地布局第三代高性能碳纖維研發。

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