先進復合材料因其優(yōu)越性能，已與鋁合金、鈦合金共同成為航空領域的三大主要材料，其使用量被視為飛機結構先進性的重要指標。為滿足航空裝備在高性能和輕量化方面的需求，國際軍民航空均大量應用輕質且高效的高性能碳纖維復合材料。其應用范圍已從早期的襟翼、方向舵及整流罩等非承力和次承力結構，擴展至機翼、中央翼和機身等大型主承力結構。最初以F-15戰(zhàn)斗機的方向舵和F-16垂尾蒙皮采用第一代碳纖維T300或AS4為例，現已逐漸替換為以東麗T800碳纖維或其等效材料IM7、IMA為主的第二代碳纖維。例如，美國F-22戰(zhàn)斗機在其機翼和機身的主承力結構中大量使用高強度中模IM7碳纖維與高韌性5250-4雙馬樹脂復合材料，結構用量達24.2%，顯著降低了重量。同時，波音B787的機身及機翼主承力結構采用符合BMS8-276材料規(guī)范的T800/3900-2高韌性環(huán)氧復合材料，而空客A350的中央翼盒及機翼則使用赫氏公司的IMA/M21高韌性環(huán)氧復合材料，復合材料結構用量超過50%。為了進一步降低結構質量并提高結構效率，日美等國相繼推出T1100G級與M40X碳纖維等第三代碳纖維，并建立了完善的數據體系，正在軍民領域進行驗證與推廣，成為聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展的主要方向之一。近年來，國內聚丙烯腈基碳纖維的制備及應用技術取得了顯著進展，具備了研發(fā)第三代碳纖維的能力。因此，第三代聚丙烯腈基碳纖維已成為國內外碳纖維技術進步的焦點。本文旨在介紹國內外第三代聚丙烯腈基碳纖維的發(fā)展現狀，分析國外該類復合材料的性能與應用，提出國內發(fā)展建議，以期為國產第三代聚丙烯腈基碳纖維的研發(fā)和應用提供參考。一、國外第三代聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展現狀
自2010年以來，第三代聚丙烯腈基碳纖維在國際市場上取得了顯著進展。美國Hexcel公司在巴黎JEC復合材料展會上首次推出了強度為6964 MPa、模量為310 GPa的新型高強高模碳纖維IM10，后調整為強度6826 MPa、模量313 GPa。2014年1月，日本三菱公司發(fā)布了MR70碳纖維，強度達到7000 MPa，模量為324 GPa。同年3月，日本東麗公司通過碳化過程的精細控制技術，在納米層級上對纖維結構進行調控，成功研發(fā)出T1100G碳纖維，其強度較T800H碳纖維提升了20%，模量提高了10%。到2017年6月，東麗公司再次更新T1100G的強度數據，從6600 MPa提升至7000 MPa。此外，2015年7月，日本東邦公司也推出了T1100級別的碳纖維（牌號TENAXXMS32），其強度為6600 MPa，模量為324 GPa。表1匯總了各種T1100級碳纖維的性能數據。從表中可以看出，東麗公司的T1100G碳纖維具有更高的線密度，而Hexcel公司的IM10碳纖維和三菱公司的MR70碳纖維則通過牽伸和細旦化等工藝，制備出了與東麗T1100G碳纖維相當的性能。這些技術的進步為第三代聚丙烯腈基碳纖維的應用提供了更為廣泛的基礎，進一步推動了其在航空及其他高性能領域的應用。
2015年，美國佐治亞理工學院創(chuàng)新了聚丙烯腈纖維的紡絲技術，使碳纖維的拉伸強度提升至5500~5800 MPa，拉伸彈性模量達到354~375 GPa，標志著新型高強高模碳纖維性能的重大突破。此后，這一等級的工業(yè)化產品相繼問世。2018年11月，日本東麗公司推出了TORAYCAMX系列碳纖維M40X，其拉伸強度為5700 MPa，模量為377 GPa，M40X的新型碳纖維在保持M40J模量不變的基礎上，拉伸強度提升了30%，達到T800級碳纖維的水平。2019年3月，美國Hexcel公司在巴黎JEC復合材料展會上推出了新型高強高模碳纖維HM50，其強度為5860 MPa，模量為345 GPa，后調整為強度5723 MPa、模量345 GPa。根據東麗公司的報告，T1100G碳纖維和M40X碳纖維均屬于第三代碳纖維，展現了新一代碳纖維的兩個重點發(fā)展方向。這一發(fā)展歷程如圖1所示，進一步推動了第三代聚丙烯腈基碳纖維的應用潛力。
根據日本碳纖維制造商協會、日本東麗公司和美國赫氏公司的分類標準，碳纖維可根據模量進行區(qū)分，如表2至表5所示。從這些表格中可以看出，模量在340~350 GPa之間是中模與高模的分界線。嚴格來說，T1100G碳纖維被歸類為高強中模碳纖維，而M40X則屬于高強高模碳纖維。這一分類有助于明確不同類型碳纖維的性能特征及其適用領域，為材料的選擇和應用提供了重要依據。
二、國外第三代聚丙烯腈基碳纖維復合材料的性能與應用
針對復合材料在損傷容限和抗分層能力等關鍵技術難題，美歐日等發(fā)達國家并未將碳纖維復合材料的技術能力限制在T800級水平。隨著T1100級碳纖維的逐步成功研發(fā)，高強、高模和高韌性復合材料相繼問世。例如，赫氏公司研發(fā)的M91/IM10復合材料的抗沖擊強度（CAI）達到了350 MPa，0°壓縮強度為1880 MPa，較T800級碳纖維復合材料有所提升，盡管模量提升并不顯著，如表6所示。Hexcel公司的HM50碳纖維與8522樹脂匹配的復合材料表現出較強的性能，其拉伸強度達到了3144 MPa，模量達到了210 GPa，0°壓縮強度為2048 MPa，如表7所示。然而，與IM7/8552復合材料相比，HM50/8522復合材料在90°拉伸強度和短梁強度上分別下降了20.3%和27.7%，且缺乏沖擊后壓縮數據。這表明，HM50/8522復合材料的界面性能較傳統(tǒng)T800級復合材料遜色，但由于模量的提升，它仍可能展現出比T800級碳纖維復合材料更高的減重潛力，盡管具體應用尚未見相關報告。據報道，為了增大航程和載彈量，B-21隱形戰(zhàn)略轟炸機采用了更高性能的復合材料結構，以替代B-2隱形戰(zhàn)斗機中的金屬結構部件，從而實現結構減重。這一趨勢顯示出新一代碳纖維復合材料在航空領域的廣泛應用潛力。
2014年，日本東麗公司宣布成功研制T1000G碳纖維，其拉伸強度達到6600 MPa，隨后在2017年更新為7000 MPa，拉伸模量為324 GPa。東麗公司最初將該碳纖維歸為高強高模碳纖維類別，但隨后調整為新一代高強中模碳纖維。同時，東麗還通過納米技術優(yōu)化了基體樹脂的性能，開發(fā)出與T1000G碳纖維相匹配的樹脂基體，形成了三種2574預浸料體系。其復合材料的性能數據如表8所示。東麗公司進一步與3940高溫環(huán)氧樹脂進行匹配，2017年宣稱復合材料的拉伸強度和抗沖擊性能比上一代產品提升了30%。隨后，通過與新一代高溫環(huán)氧樹脂3960結合使用NanoAlloy技術，獲得了優(yōu)異的復合材料性能。與T800/3900-2預浸料相比，T1100G/3960預浸料剛度提升了20%以上，具體性能數據如表9所示。隨著T1100G碳纖維進入批量生產，其在航空領域的應用研究成為熱點。Shugo等的研究表明，T1100G碳纖維復合材料在機翼應用中，實現了相較T700S和T800S碳纖維復合材料的減重效果，分別為14%和9.9%。Spirit AeroSystems公司使用T1100G/3960預浸料集成制造了蒙皮和長桁，不僅成功減重，還實現了30%的成本節(jié)約，如圖4所示。T1100G/3960預浸料已應用于多個武器系統(tǒng)的關鍵部件，還被用于Overair電動垂直起降飛機的機身和推進系統(tǒng)，如圖5所示。2023年4月，東麗公司在官網發(fā)布了其采用T1100/2510單向和平紋預浸料制造主旋翼槳葉的消息。此外，東麗公司還研發(fā)了4000雙馬樹脂體系，并完善了相關數據，形成了數據卡，如表10所示。然而，該體系的具體應用目前尚未有詳細報告。
圖4 在巴黎航空展上首次亮相的5.5m x 3.7m 的機身結構件實物圖
圖5 Overair電動垂直起降飛機應用T1100G/3960復合材料示意圖
2018年，日本東麗公司宣布推出新型碳纖維M40X，其拉伸強度達到了5700 MPa，模量達到377 GPa。M40X碳纖維不僅在強度和模量方面取得了顯著提升，同時還具備類似T800碳纖維的優(yōu)良界面特性。通過匹配采用NanoAlloy技術的樹脂基體，形成了高強高模復合材料，這種材料既具備高強度、高模量的特性，又具有更高的減重效率。目前，M40X碳纖維已在Canyon公司的Ultimate CFR自行車車架上得到了應用，如圖6所示。然而，關于該碳纖維在航空航天領域的具體應用尚未有相關報道。這表明M40X碳纖維雖然在輕量化和強度方面具有巨大潛力，但其在航空航天領域的研究和應用仍處于起步階段。
圖6 Canyon公司自行車車架采用M40X碳纖維實物圖
三、國內第三代聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展現狀
隨著國內碳纖維研制能力的提升，多家單位已開始試制強度更高、模量更大的碳纖維。在相關部委的支持下，這些單位著手規(guī)劃并推進新一代碳纖維的研制。威海拓展、中簡科技、長勝科技、江蘇恒神、山西鋼科等公司已公開宣布成功研發(fā)出第三代碳纖維，基本突破了T1100級和M40X級碳纖維的制備關鍵技術。其主要性能接近東麗碳纖維的水準，但尚未形成規(guī)?；a，且在線密度、強度、模量等整體性能上仍存在一定差距，穩(wěn)定性還需進一步驗證。其中，江蘇恒神在2022年法國JEC展會上推出了T1100級和M40X級高性能碳纖維產品。具體性能指標顯示，HF60（T1100級）碳纖維的拉伸強度為7000 MPa，拉伸模量為320 GPa；HM50E（M40X級）碳纖維的拉伸強度為5700 MPa，拉伸模量為380 GPa。針對第三代碳纖維，國內相關單位也在積極研發(fā)與之匹配的高性能樹脂體系，并進行復合材料性能驗證，以期進一步提高結構效率。這些材料未來有望應用于新一代航空航天及民用領域。然而，國內在第三代碳纖維的研發(fā)過程中仍面臨幾個關鍵問題：1. 損傷阻抗與損傷容限平衡：隨著強度和模量的提升，碳纖維復合材料的損傷容限是否滿足航空結構對目視可見沖擊損傷的應用要求仍需進一步驗證。2. 表面惰性問題：碳纖維在模量提升后，其表面惰性問題加劇，因此需要開發(fā)新的表面處理技術和上漿劑，以優(yōu)化碳纖維、上漿劑與樹脂的界面匹配。3. 性能與成本的平衡：高性能碳纖維的制造往往伴隨高能耗，如何在保障性能的同時降低生產成本，是行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)。總體而言，國外第三代碳纖維，尤其是T1100級碳纖維，已成為可供應市場的產品，并與中溫樹脂、高溫環(huán)氧樹脂及雙馬樹脂等進行匹配，獲取了較為完善的復合材料性能數據，部分應用已通過復合材料構件驗證，廣泛應用于軍民領域，展現出良好的減重與性能提升潛力。為此，中國應借鑒國外的研究成果、設計理念和應用經驗，盡快推動國產第三代聚丙烯腈基碳纖維的研制與穩(wěn)定生產。同時，相關上漿劑與高性能樹脂的研發(fā)，以及復合材料應用的研究也應同步展開，以構建國內第三代碳纖維及其復合材料體系，進一步提升我國在先進復合材料領域的技術水平。文獻來源：Peng Gongqiu, Li Guoli, Shi Fenghui, Zhong Xiangyu, Zhang Baoyan, Bao Jianwen, Cao Zhenghua, Development status and suggestion of the third generation PAN-based carbon fiber, New Chemical Materials(S2),65-70. doi:10.19817/ j.cnki.issn1006-3536.2023.S2.014.