干货 三代碳纤维的发展与技术分析

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关于网上流传的《第三代碳纤维是怎么定义的？》文章,碳纤维行业的专家与企业家发出如下声音:

广州赛奥碳纤维技术林刚总经理：应该加个定语，航空航天用碳纤维划代。

北京化工大学徐樑华教授：个人认为这种分类不合适，应该从复合材料角度来分更合理，纤维比较是一种原材料。

广州赛奥碳纤维技术林刚总经理：我也是开会时，听大家谈起这个分代的问题，以前还真没有想这个事，国际上确实好像也没有这个说法。从飞机承力结构上，之前看沈真老师一篇文章，提到从T300到T800的结构设计的原理。从广阔应用的角度，这个代差可能产生舆论误导：过段时间，国家领导人视察碳纤维企业，可能问了，你家水平到几代了？这就郁闷了。

站在整个产业角度，我们再不能在性能上“超英赶美”了，只能行业的10%单位或企业的10%的精力去整这些高精尖的，盈利是第一要务，尤其是市场竞争下（包括国际市场竞争下）的盈利。只有盈利是检验技术的唯一标准。我觉得这对当前的中国碳纤维，是个务实的目标。

吉林精功碳纤维公司庒海林总经理：同意林总观点，但是成本控制也是一个很难的技术问题，需要综合技术实力。

北京化工大学刘杰教授：大概二年前就有分代的说法。我当时留言这种说法既不科学也不严谨，纯粹是小编夺人眼球哗众取宠之举。分代要有明显的技术或原理特征或者明显应用性能特征的区别，同时还要有公认的第三方测试数据或产品。不要总把商业或政绩宣传当回事，多做些实事好吧。

《高科技纤维与应用》申屠年常务副主编：我以为关键在第二代的分类，除高强中模外，缺少了高模中强这类型号，如M55JB、M60JB等，事实上过去网格状刚性结构的人造卫星太阳能电池伸缩展板，都是用高模中强碳纤维成型的！

广州赛奥碳纤维技术林刚总经理：刘老师，中国关于碳纤维的舆论，我想，我们这个群应该是有发言权的，同时，我们也有“纠偏”或“拨乱反正”的义务，更有维护行业信誉的自觉性与使命感。我们不发声，别人就会说话。到头来，还是我们自己吃亏。

北京化工大学刘杰教授：一家之言。就碳纤维本身原理与技术而言，目前并没有本质上的突破，只是规格型号不同而已。可以看作“原生代”吧。

江苏恒神股份公司沈真高级顾问：碳纤维的发展最初是航空应用推动的，东丽碳纤维的发展就是根据波音的要求，主要是提高模量的需求发展的，所以T300,T800,T1100就按模量归为三代纤维的代表, 这样的分类是按航空的需求分的，不代表碳纤维一定要这么分。

北京化工大学刘杰教授：我理解所谓“分代”是在原理、技术或性能三者有一点或几点上有明显跨越式突破，而非改变一点或T系列模量所能覆盖的,同时还要大多数同行的认可。

江苏恒神股份公司沈真高级顾问: 所谓三代本来就是航空人的区分，因为过去碳纤维的发展主要是航空人推动的，随着碳纤维应用的推广，当然可以有不同的分法。

中安信科技有限公司张永明副总裁：可能还是依据模量划分：230/294/324GPA。以目前力学性能指标强度富余，但还需更高模量解决刚度问题。在碳化线上得到324GPA的模量，还要保留6.6GPA的强度不容易！

中国复合材料集团张定金董事长：我比较同意刘杰教授的意见，我们说的123代碳纤维本质上都是PAN基的，在聚合物和碳化工艺上，技术和装备上都没有本质上的改变。一定要分代，可以把航空预浸料或把航空复合材料分123代。

广州赛奥碳纤维技术林刚总经理:通常，我们讲工业的代，是个蛮大的事，比如显示技术，比如电脑技术，是代表整个行业的技术换代。仅仅强度与模量上个台阶，就以代论，代论就会暗示：先进与落后。张总的观点我赞成，按照航空预浸料或复合材料，分代，是可以的，而且，航空换这么“一代”,也确实不容易，需要起码20-30年的时间。

北京化工大学刘杰教授：航空应用设计上的分代可以理解。但笼统地说“第三代碳纤维”并不科学，容易引起异议。

《高科技纤维与应用》申屠年常务副主编：原则上按碳纤维从单一通用型性能朝综合高性能型方向发展的进程来划分代际较为科学合理。第一代碳纤维特征：低强度、低模量碳纤维产品：东丽公司的T300和赫氏公司的AS4用途：T300主要用于波音737等型号的次承力构件，AS4应用在早期F-14战斗机的平尾等部位。

第二代碳纤维

特征：高强度、中等模量碳纤维
产品：东丽公司的T800和赫氏公司IM7系列为代表，同代产品还有东丽的T700、T1000，赫氏的IM8、IM9等
用途：T800强度比T300强度提高了68%，模量提高了28%，大量用于A350、波音787等飞机机翼机身的主承力结构。IM7比AS4强度提高了37%，模量提高了21%，大量用于美国的“三叉戟”Ⅱ潜射导弹及F-22、F-35战斗机等。目前第二代碳纤维在航空航天等领域应用最广泛。

第三代碳纤维特征：高强度、高模量碳纤维产品：东丽宣布研制成功的T1100G碳纤维、佐治亚理工学院的研发产品用途：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。

现阶段，航空航天等领域应用最广泛的是第二代高强度中等模量碳纤维，由于第二代碳纤维模量偏低，且碳纤维材料脆性大，易导致复合材料结构部件的疲劳损伤，甚至发生灾难性破坏，限制了航空武器装备性能的提升，更难以满足新一代航空武器装备的性能要求。随着美国启动第六代战斗机、新一代远程轰炸机、第一代无人舰载作战飞机的研制，航空武器装备对巡航速度、航程、机动性、隐身性能、防护能力和维修性等指标都提出了更高要求，这就需要拉伸强度、断裂韧性、冲击性能等综合性能更高的碳纤维。要获得综合性能高的碳纤维，就必须在强度和模量这两个基本属性上取得突破，而第三代碳纤维的主要技术特征就是同时实现高拉伸强度和高弹性模量。

同时实现高的拉伸强度和弹性模量是碳纤维研制过程中的技术难点。原丝制备和碳化是碳纤维制备的两个核心工艺：高质量的PAN原丝是实现碳纤维高性能和批量生产的关键；碳化过程的控制与碳纤维的拉伸强度和弹性模量直接相关。

多年的碳纤维研制经历表明：大幅度地提高碳纤维弹性模量时，拉伸强度会明显降低；而当保持碳纤维的高拉伸强度时，又很难大幅度提高纤维的弹性模量。究其原因，碳纤维是由大量石墨微晶组成的各向异性材料。高强度碳纤维通常要求微晶尺寸较小，而高模碳纤维通常要求微晶尺寸较大，如何解决这一矛盾是碳纤维研制中的最大难题。

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。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。

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。

说到各型号碳纤维的差别，很多人也能脱口而出它们的强度、模量、密度等，但是从工艺角度看，它们之间又有什么差别呢。

下面我们拿T300和T700系列碳纤维进行对比，这两个系列碳纤维的原丝技术有着根本性的变革，就是湿法纺丝和干喷湿纺的转变。

从性能上看

T300和T700都具有相同的拉伸模量230Gpa和平均直径7μm，但是在拉伸强度上，两者差别很大，T300为3.53Gpa,而T700则达到了4.90Gpa,比前者足足高出了38.8%，而且T700的断裂伸长提高了40%，体密度提高了2.27%。

从元素组成上看

经过试验证实，T300和T700的化学组成主要为碳，前者质量分数为92.5%，后者为95.58%；其次是氮，前者为6.96%，后者为4.24%，相比之下T700碳含量明显高于T300，碳化温度比T300高，使得其含碳亮高和含氮量低。

从外表形貌看

由于纺丝工艺的不同，T300和T700的表面呈现出明显不同的特征，其中T300的表面呈树皮状，并有明显深浅不一的沟槽，是湿法纺丝工艺的特征。而T700则呈现出光滑的表面，是干喷湿纺丝工艺的特征。

从断面的形貌看

T300和T700碳纤维内部均呈现出颗粒状的特征，原纤束结构清晰可见，彼此之间有轴向微孔，纤维的致密性比较均匀。而且通过SEM图像表面形貌也可以判断出T300使用的工艺是湿纺原丝，而T700的工艺是用干喷湿纺原丝。

下面是技术层面分析：

我们都知道聚丙烯腈可以溶解于二甲基亚砜但不溶于水，而二甲基亚砜可以和水无限互溶。利用这个原理，我们将二甲基亚砜的水溶液当做凝固液。当聚丙烯腈溶液被喷丝头喷到凝固液里的时候，由于两种物质接触产生溶剂浓度差，有浓度差就会扩散。这个扩散是水向聚丙烯腈溶液内部扩散和二甲基亚砜向凝固液中扩散的双向变化。聚丙烯腈遇水会凝固，喷出来的丝束表面就会产生有一定硬度的表层，这个表层会阻碍水向纤维内部扩散，同时也会阻碍二甲基亚砜溶液向外部扩散。

T300碳纤维采取的是湿法纺丝，也就是原丝液从喷丝头喷出来，直接进入凝固液。具体示意图可以看下图：这个过程由于纤维原丝表层和芯部凝固不一致，表层较硬，芯部较软，在后面的牵伸过程中表层塌陷，结果形成下图这样的形貌：这样纤维内部产生的孔隙和缺陷相应的增多，同时由于溶剂向外扩散受阻，在预氧化碳化阶段溶剂分子挥发，也会留下很多缺陷。这些缺陷最终会遗传给碳纤维，造成碳纤维强度低。

T700碳纤维采取了不同的路线，叫做干喷湿纺，就是原丝液从喷丝孔出来，不直接进入凝固液，而是先经过一段空气段在进入凝固液。先上示意图：因为聚丙烯腈溶液粘度大需要在一定压力下才能喷出纺丝孔，原丝液从孔中出来，就会膨胀，这个时候在牵伸的作用下，原丝液直径慢慢变细，由于表层还没有接触水，所以表层和芯部的收缩率是一样的，牵伸不会产生表面塌陷。这样会使纺制出来的原丝截面更规则，表层和芯部物相均匀，产生的缺陷相对较少。所以后续的预氧化和炭化遗传的缺陷也会少，T700碳纤维的强度就会比T300高。下图是T700碳纤维的外观形貌。



湿法纺丝和干喷湿纺虽然只是短短的一段空气层，但是对碳纤维性能的影响确实很大的。所以在整个生产工艺中，有很多细小的差别都会影响碳纤维最终性能。

技术方面来说，对湿法纺丝我们要不断的完善，对于干喷湿纺我们还要不断的去探索、对其他新的纺丝方式我们也有不断的摸索。对聚合、纺丝、氧化碳化我们都要有一个更深层次的认识。对国外的先进技术进行尝试，对我们自己的技术要勇于创新。

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来源：参考资料来自于赛奥碳纤维技术，《日美竞相突破第三代碳纤维技术》 胡燕萍，碳纤维研习社，材料+编辑整理。

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