相比傳統的金屬材料和其他纖維制成的復合材料，碳纖維復合材料具備質量輕、強度高、彈性模量高的特點，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，被廣泛用于制造航空器機體及發動機、導彈外殼等。美國F-22、F-35戰斗機的碳纖維復合材料用量比例分別達到24%和36%，以A350、波音787為代表的新型大型民機的碳纖維復合材料用量比例更是達到了50%以上。碳纖維復合材料的運用已成為衡量武器裝備先進性的標志之一。碳纖維是構成復合材料的關鍵原材料，承擔著復合材料約90%的載荷，其拉伸強度和彈性模量是實現復合材料結構性能目標的關鍵。

碳纖維復合材料生產和應用技術已經是航空工業制造水平的重要標志之一。

市場發展

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%、氰特工業公司占8%；臺灣塑料工業和英國SGL公司占3%～5%。日本3家企業的碳纖維約占全球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。美國的兩家企業市場占有率約為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，是美國廠家中高模量碳纖維技術的領導者；氰特工業公司以碳纖維的后續產品預浸料為主，碳纖維產品性能和研發能力低于赫氏。臺灣塑料工業公司及SGL的產品性能略低于日本和美國的水平。

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，日美兩國在廣泛應用的第二代碳纖維產品上性能相當。第一代以20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戰斗機的平尾等部位。第二代高強度、中等模量碳纖維以20世紀80年代東麗公司的T800和赫氏公司IM7系列為代表，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%，大量用于A350、波音787等飛機機翼機身的主承力結構。IM7比AS4強度提高了37%，模量提高了21%，大量用于美國的“三叉戟”Ⅱ潛射導彈及F-22、F-35戰斗機等。

第二代碳纖維模量偏低

現階段，航空航天等領域應用最廣泛的是第二代高強度中等模量碳纖維，由于模量偏低，且碳纖維材料脆性大，易導致復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，更難以滿足新一代航空武器裝備的性能要求。隨著美國啟動第六代戰斗機、新一代遠程轟炸機、第一代無人艦載作戰飛機的研制，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、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，就必須在強度和模量這兩個基本屬性上取得突破，而第三代碳纖維的主要技術特征就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制過程中的技術難點。原絲制備和碳化是碳纖維制備的兩個核心工藝：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。多年的碳纖維研制經歷表明：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。

轉載請注明：北緯40° » 日美突破第三代碳纖維技術 大幅提高下一代軍用航空器作戰性能