日美各辟蹊径突破技术瓶颈

日本东丽公司通过突破碳化工艺，使碳纤维强度和模量同时提升10%以上，率先达到了第三代碳纤维的技术要求。东丽公司认为，碳纤维同时获得高拉伸强度和高弹性模量的关键在于碳化过程中的热处理技术及高温设备。在热处理技术方面，温度、牵伸、催化、磁场等许多因素都会影响纤维碳化后的性能。2014年3月，东丽宣布研制成功的T1100G碳纤维。东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术，精细控制碳化过程，在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等进行控制，从而使强度和弹性模量都得到大幅提升。T1100G的拉伸强度6.6GPa，比T800提高12%；弹性模量324GPa，提高10%，正进入产业化阶段。

美国佐治亚理工学院研究小组通过突破原丝制备工艺，在保持碳纤维高强度同时，弹性模量提升28%以上。赫氏公司的碳纤维产品30年来一直停留在中等弹性模量水平，性能难以突破。美国国防预研局（DARPA）在2006年启动先进结构纤维项目，目的是召集全国优势科研力量，开发以碳纤维为主的下一代结构纤维。佐治亚理工学院作为参研机构之一，从原丝制备工艺入手，提高碳纤维弹性模量。2015年7月，该研究小组利用创新的PAN基碳纤维凝胶纺丝技术，将碳纤维拉伸强度提升至5.5～5.8GPa，拉伸弹性模量达354～375GPa。虽然拉伸强度和IM7相当，但弹性模量实现了28%～36%的大幅提升。这是目前报道的碳纤维高强度和最高模量组合。其机理是凝胶把聚合物链联结在一起，产生强劲的链内力和微晶取向的定向性，保证在高弹性模量所需的较大微晶尺寸情况下，仍具备高强度。这表明美国已经具备了第三代碳纤维产品的自主研发实力。

日美从两条不同的技术途径都获得了高强度、高模量碳纤维。从目前的研究成果来看，东丽的第三代碳纤维产品强度更高，更适用于抗拉强度设计值高的结构件；美国的产品弹性模量更高，更适用抗弯、抗冲击、抗疲劳强度设计值高的部件。日美相关企业和机构都明确表示第三代碳纤维的应用目标是航空航天高端市场，替代目前的T800和IM7第二代碳纤维产品，提高军机结构部件强度、刚度等综合性能。东丽是传统PAN溶液纺丝技术的先驱，原丝技术高度成熟，产业化能力强，从第一、第二代产品来看，其第三代产品有望在未来5～10年实现工业化生产并全面投放市场。美国放弃传统溶液原丝制备工艺，采用凝胶纺丝技术，有更大余地对工艺优化，碳纤维性能也有更大提升空间。美国计划于2030年前后面世的第六代战斗机、新一代远程轰炸机、第一代无人舰载作战飞机极有可能通过应用第三代碳纤维技术而大幅提高作战性能。

文/胡燕萍，中国航空工业发展研究中心工程师 原载于《国际航空》2016年第3期

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