国内外碳纤维及其复合材料技术领域重要进展——碳纤维制备技术篇

    2019年10月，三菱化学公司开发出一种PAN基碳纤维，这种纤维的单根纤维直径最大可达10μm。目前通用级碳纤维的直径为每根纤维5~7μm，而新产品将其直径提高到10μm，这代表着纤维直径的显著增加。

    该款碳纤维具有240GPa的拉伸模量和4200MPa的拉伸强度，是通用级碳纤维。这种新的碳纤维材料的临时名称为34-550。由于材料中所含的每根纤维都较粗，因此非常适合树脂传递模塑、拉挤成型和其他模塑方法，该材料也非常适合使用高粘度热塑性树脂的连续纤维增强中间材料。

    值得注意的是其纤维直径将有助于防止弯曲，从而使模制品具有更好的压缩特性；此外，纤维的横截面相对平坦，在碳化或石墨化时，可使热量更好地渗透到纤维的中心。

 

    2019年11月，日本东丽公司宣布成功开发出全球首款具有连续、纳米/微米级孔隙结构的多孔碳纤维，并希望在未来五年内实现商业化。

    该新型多孔碳纤维在整个纤维上具有可控的纳米或微米级孔隙结构，其内部的连续多孔结构可使其成为高效的过滤介质，并可作为气体分离膜的支撑结构。

 

    该产品的潜在应用是在气体分离技术中使用，如用于分离二氧化碳、沼气、氢气和其他气体。

 

    2020年1月，中科院宁波材料所碳纤维及其复合材料团队成功实现了拉伸强度3.70GPa、拉伸模量610GPa的PAN基超高模量碳纤维连续稳定制备。

    2016年1月、2018年3月，碳纤维及其复合材料团队在国内先后率先实现国产M55J、国产M60J级高强高模碳纤维关键制备技术突破，关键产品填补了国内空白；2019年底，团队成功实现国产CNIQM60（M60J级）高强高模碳纤维小批量稳定制备。

    随后团队科研人员向拉伸模量600GPa以上的更高等级超高模量碳纤维关键制备技术开展攻关，在2020年1月实现了拉伸模量高达610GPa的PAN基超高模量碳纤维的连续稳定制备，产品通过了国内专业检测机构测试。

 

    2020年2月，日本帝人公司发布了公司Tenax®碳纤维的最新版产品目录和性能指标，在高模量碳纤维领域，公司碳纤维产品最高模量仅为425GPa，不再提供UMS 55（模量540GPa，与东丽M55J相同），标志着日本东丽公司成为全球唯一一家提供高模量540GPa以上PAN基商品化产品的企业。

    此外，在新版碳纤维产品目录中，标准模量级碳纤维的拉伸强度普遍提升，如HTA40、HTS40拉伸强度分别由3800、4200MP提高到4100MPa、4400MPa；镀镍碳纤维强度和模量分别由2800MPa、215GPa提高到新版本的2900MPa、230GPa。

 

    2020年5月，日本东丽公司宣布开发出拉伸强度4.8GPa、拉伸模量390GPa的新型高强度高模量碳纤维；该款高模量碳纤维强度略低于东丽T700的4900MPa，但是模量提升了70%，从而保证最终碳纤维结构件具有超高刚度特性。

    该款纤维体密度仅为1.74g/cm³，要低于T700纤维的1.80g/cm³，因此具有更加优异的轻量化效果，因此该款产品有望替代传统的T700碳纤维，而其最终应用也将瞄准汽车轻量化等领域。

    该型高模量碳纤维通过与新研发的TORAYCA®Pettlet热塑性粒料结合，采用注塑成形工艺加工得到的粒料拉伸模量达到41GPa，与镁合金模量（45GPa）相当，同时该粒料的比重仅为1.4，而镁合金比重为1.8。因此，通过使用这些新的热塑性颗粒采用注塑成形可制造复杂形状的零件且大大提高生产率，并为零部件的轻量化做出巨大贡献。

    在2020年1月成功实现拉伸强度3.70GPa、拉伸模量610GPa的PAN基超高模量碳纤维连续稳定制备的基础上，2020年6月，中科院宁波材料所碳纤维及其复合材料团队在高强高模碳纤维领域再次实现重大突破，成功研制出CNI QM65（M65J级）高强高模碳纤维，经过国内4家专业检测机构测试，纤维拉伸强度和拉伸模量分别高达3857MPa、639GPa。

宁波材料所形成国产M65J级碳纤维小批量制备能力

    宁波材料所CNI QM65（M65J级）高强高模碳纤维研发成功标志着在高强高模碳纤维制备技术领域，国内已经由长期跟跑实现了并跑。

 

    根据美国Hexcel公司官方发布的2020版最新产品目录，Hexcel公司推出了最新一款拉伸强度5171MPa、拉伸模量372GPa、伸长率1.3%的HexTow®HM54型高强高模碳纤维。

    HexTow®HM54型碳纤维是一种连续、高性能、高模量的PAN基碳纤维，该纤维经过表面处理和上浆处理，以改善其层间剪切性能、工艺特性和结构性能，应用领域包括高级体育用品、航空、航天和工业应用。

    HexTow®HM54是一款与日本东丽高强高模碳纤维针锋相对的产品，而日本东丽公司对应的产品为M40J级高强高模碳纤维（强度4400MPa、模量377GPa），通过性能对比可知，HM54型纤维强度优势更加明显，因此有望在未来应用中对日本东丽M40J级高强高模碳纤维构成竞争威胁，目前该产品已经实现应用。

 

    同样是根据美国Hexcel公司官方发布的2020版最新产品目录，Hexcel公司推出了一款具有优异耐烧蚀特性的PAN基碳纤维——HexTow® 85型碳纤维。

    作为一种连续的PAN基碳纤维，目前可提供24K规格的丝束，HexTow® 85碳纤维的碳含量仅为85%，主要用途在于：作为一种成本效益高的耐烧蚀产品，来取代传统的黏胶基碳纤维，专用于耐烧蚀领域。

    HexTow® 85的碳纤维拥有与传统PAN基碳纤维相近的强度，而耐烧蚀性能又与黏胶基碳纤维相接近。目前由该种纤维制备的碳碳复合材料烧蚀性能正在与传统黏胶基碳纤维进行对比评测中。