相比傳統(tǒng)的金屬材料和其他纖維制成的復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性模量高的特點(diǎn)，可比傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)減重30%，對武器裝備性能提升貢獻(xiàn)巨大，被廣泛用于制造航空器機(jī)體及發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈外殼等。美國F-22、F-35戰(zhàn)斗機(jī)的碳纖維復(fù)合材料用量比例分別達(dá)到24%和36%，以A350、波音787為代表的新型大型民機(jī)的碳纖維復(fù)合材料用量比例更是達(dá)到了50%以上。碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用已成為衡量武器裝備先進(jìn)性的標(biāo)志之一。碳纖維是構(gòu)成復(fù)合材料的關(guān)鍵原材料，承擔(dān)著復(fù)合材料約90%的載荷，其拉伸強(qiáng)度和彈性模量是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的關(guān)鍵。
市場發(fā)展
高端碳纖維市場一直為日美兩國所壟斷。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(yīng)商的市場占比情況是：日本東麗公司占35%～40%、東邦公司占23%、三菱麗陽公司占14%；美國赫氏公司占12%、氰特工業(yè)公司占8%；臺(tái)灣塑料工業(yè)和英國SGL公司占3%～5%。日本3家企業(yè)的碳纖維約占全球70%～80%的市場份額，其中東麗公司產(chǎn)能最大，產(chǎn)品性能最好，是全球最大的碳纖維供應(yīng)商，代表了日本最高的技術(shù)水平和研發(fā)實(shí)力。美國的兩家企業(yè)市場占有率約為20%，其中赫氏公司擁有40多年為美國軍機(jī)開發(fā)應(yīng)用碳纖維的經(jīng)驗(yàn)，能夠自主生產(chǎn)供應(yīng)碳纖維，是美國廠家中高模量碳纖維技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者；氰特工業(yè)公司以碳纖維的后續(xù)產(chǎn)品預(yù)浸料為主，碳纖維產(chǎn)品性能和研發(fā)能力低于赫氏。臺(tái)灣塑料工業(yè)公司及SGL的產(chǎn)品性能略低于日本和美國的水平。
碳纖維以拉伸強(qiáng)度和彈性模量為主要指標(biāo)，目前商業(yè)化產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到第二代，日美兩國在廣泛應(yīng)用的第二代碳纖維產(chǎn)品上性能相當(dāng)。第一代以20世紀(jì)60年代東麗公司的T300和赫氏公司的AS4低強(qiáng)低模碳纖維為代表，T300主要用于波音737等型號(hào)的次承力構(gòu)件，AS4應(yīng)用在早期F-14戰(zhàn)斗機(jī)的平尾等部位。第二代高強(qiáng)度、中等模量碳纖維以20世紀(jì)80年代東麗公司的T800和赫氏公司IM7系列為代表，同代產(chǎn)品還有東麗的T700、T1000，赫氏的IM8、IM9等。T800強(qiáng)度比T300強(qiáng)度提高了68%，模量提高了28%，大量用于A350、波音787等飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身的主承力結(jié)構(gòu)。IM7比AS4強(qiáng)度提高了37%，模量提高了21%，大量用于美國的“三叉戟”Ⅱ潛射導(dǎo)彈及F-22、F-35戰(zhàn)斗機(jī)等。
第二代碳纖維模量偏低
現(xiàn)階段，航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是第二代高強(qiáng)度中等模量碳纖維，由于模量偏低，且碳纖維材料脆性大，易導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的疲勞損傷，甚至發(fā)生災(zāi)難性破壞，限制了航空武器裝備性能的提升，更難以滿足新一代航空武器裝備的性能要求。隨著美國啟動(dòng)第六代戰(zhàn)斗機(jī)、新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、第一代無人艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的研制，航空武器裝備對巡航速度、航程、機(jī)動(dòng)性、隱身性能、防護(hù)能力和維修性等指標(biāo)都提出了更高要求，這就需要拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性、沖擊性能等綜合性能更高的碳纖維。要獲得綜合性能高的碳纖維，就必須在強(qiáng)度和模量這兩個(gè)基本屬性上取得突破，而第三代碳纖維的主要技術(shù)特征就是同時(shí)實(shí)現(xiàn)高拉伸強(qiáng)度和高彈性模量。
同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量是碳纖維研制過程中的技術(shù)難點(diǎn)。原絲制備和碳化是碳纖維制備的兩個(gè)核心工藝：高質(zhì)量的PAN原絲是實(shí)現(xiàn)碳纖維高性能和批量生產(chǎn)的關(guān)鍵；碳化過程的控制與碳纖維的拉伸強(qiáng)度和彈性模量直接相關(guān)。多年的碳纖維研制經(jīng)歷表明：大幅度地提高碳纖維彈性模量時(shí)，拉伸強(qiáng)度會(huì)明顯降低；而當(dāng)保持碳纖維的高拉伸強(qiáng)度時(shí)，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(qiáng)度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，如何解決這一矛盾是碳纖維研制中的最大難題。
日美各辟蹊徑突破技術(shù)瓶頸
日本東麗公司通過突破碳化工藝，使碳纖維強(qiáng)度和模量同時(shí)提升10%以上，率先達(dá)到了第三代碳纖維的技術(shù)要求。東麗公司認(rèn)為，碳纖維同時(shí)獲得高拉伸強(qiáng)度和高彈性模量的關(guān)鍵在于碳化過程中的熱處理技術(shù)及高溫設(shè)備。在熱處理技術(shù)方面，溫度、牽伸、催化、磁場等許多因素都會(huì)影響纖維碳化后的性能。2014年3月，東麗宣布研制成功的T1100G碳纖維。東麗利用傳統(tǒng)的PAN溶液紡絲技術(shù)，精細(xì)控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結(jié)構(gòu)，對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進(jìn)行控制，從而使強(qiáng)度和彈性模量都得到大幅提升。T1100G的拉伸強(qiáng)度6.6GPa，比T800提高12%；彈性模量324GPa，提高10%，正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。
美國佐治亞理工學(xué)院研究小組通過突破原絲制備工藝，在保持碳纖維高強(qiáng)度同時(shí)，彈性模量提升28%以上。赫氏公司的碳纖維產(chǎn)品30年來一直停留在中等彈性模量水平，性能難以突破。美國國防預(yù)研局（DARPA）在2006年啟動(dòng)先進(jìn)結(jié)構(gòu)纖維項(xiàng)目，目的是召集全國優(yōu)勢科研力量，開發(fā)以碳纖維為主的下一代結(jié)構(gòu)纖維。佐治亞理工學(xué)院作為參研機(jī)構(gòu)之一，從原絲制備工藝入手，提高碳纖維彈性模量。2015年7月，該研究小組利用創(chuàng)新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術(shù)，將碳纖維拉伸強(qiáng)度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達(dá)354～375GPa。雖然拉伸強(qiáng)度和IM7相當(dāng)，但彈性模量實(shí)現(xiàn)了28%～36%的大幅提升。這是目前報(bào)道的碳纖維高強(qiáng)度和最高模量組合。其機(jī)理是凝膠把聚合物鏈聯(lián)結(jié)在一起，產(chǎn)生強(qiáng)勁的鏈內(nèi)力和微晶取向的定向性，保證在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下，仍具備高強(qiáng)度。這表明美國已經(jīng)具備了第三代碳纖維產(chǎn)品的自主研發(fā)實(shí)力。
日美從兩條不同的技術(shù)途徑都獲得了高強(qiáng)度、高模量碳纖維。從目前的研究成果來看，東麗的第三代碳纖維產(chǎn)品強(qiáng)度更高，更適用于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值高的結(jié)構(gòu)件；美國的產(chǎn)品彈性模量更高，更適用抗彎、抗沖擊、抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值高的部件。日美相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)都明確表示第三代碳纖維的應(yīng)用目標(biāo)是航空航天高端市場，替代目前的T800和IM7第二代碳纖維產(chǎn)品，提高軍機(jī)結(jié)構(gòu)部件強(qiáng)度、剛度等綜合性能。東麗是傳統(tǒng)PAN溶液紡絲技術(shù)的先驅(qū)，原絲技術(shù)高度成熟，產(chǎn)業(yè)化能力強(qiáng)，從第一、第二代產(chǎn)品來看，其第三代產(chǎn)品有望在未來5～10年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并全面投放市場。美國放棄傳統(tǒng)溶液原絲制備工藝，采用凝膠紡絲技術(shù)，有更大余地對工藝優(yōu)化，碳纖維性能也有更大提升空間。美國計(jì)劃于2030年前后面世的第六代戰(zhàn)斗機(jī)、新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、第一代無人艦載作戰(zhàn)飛機(jī)極有可能通過應(yīng)用第三代碳纖維技術(shù)而大幅提高作戰(zhàn)性能。
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