日美各辟蹊徑突破技術瓶頸

日本東麗公司通過突破碳化工藝，使碳纖維強度和模量同時提升10%以上，率先達到了第三代碳纖維的技術要求。東麗公司認為，碳纖維同時獲得高拉伸強度和高彈性模量的關鍵在于碳化過程中的熱處理技術及高溫設備。在熱處理技術方面，溫度、牽伸、催化、磁場等許多因素都會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。東麗利用傳統的PAN溶液紡絲技術，精細控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進行控制，從而使強度和彈性模量都得到大幅提升。T1100G的拉伸強度6.6GPa，比T800提高12%；彈性模量324GPa，提高10%，正進入產業化階段。

美國佐治亞理工學院研究小組通過突破原絲制備工藝，在保持碳纖維高強度同時，彈性模量提升28%以上。赫氏公司的碳纖維產品30年來一直停留在中等彈性模量水平，性能難以突破。美國國防預研局（DARPA）在2006年啟動先進結構纖維項目，目的是召集全國優勢科研力量，開發以碳纖維為主的下一代結構纖維。佐治亞理工學院作為參研機構之一，從原絲制備工藝入手，提高碳纖維彈性模量。2015年7月，該研究小組利用創新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術，將碳纖維拉伸強度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達354～375GPa。雖然拉伸強度和IM7相當，但彈性模量實現了28%～36%的大幅提升。這是目前報道的碳纖維高強度和最高模量組合。其機理是凝膠把聚合物鏈聯結在一起，產生強勁的鏈內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，仍具備高強度。這表明美國已經具備了第三代碳纖維產品的自主研發實力。

日美從兩條不同的技術途徑都獲得了高強度、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品強度更高，更適用于抗拉強度設計值高的結構件；美國的產品彈性模量更高，更適用抗彎、抗沖擊、抗疲勞強度設計值高的部件。日美相關企業和機構都明確表示第三代碳纖維的應用目標是航空航天高端市場，替代目前的T800和IM7第二代碳纖維產品，提高軍機結構部件強度、剛度等綜合性能。東麗是傳統PAN溶液紡絲技術的先驅，原絲技術高度成熟，產業化能力強，從第一、第二代產品來看，其第三代產品有望在未來5～10年實現工業化生產并全面投放市場。美國放棄傳統溶液原絲制備工藝，采用凝膠紡絲技術，有更大余地對工藝優化，碳纖維性能也有更大提升空間。美國計劃于2030年前后面世的第六代戰斗機、新一代遠程轟炸機、第一代無人艦載作戰飛機極有可能通過應用第三代碳纖維技術而大幅提高作戰性能。

文/胡燕萍，中國航空工業發展研究中心工程師 原載于《國際航空》2016年第3期

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