先進(jìn)復(fù)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(lǐng)域的三大主要材料，其使用量被視為飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。為滿足航空裝備在高性能和輕量化方面的需求，國(guó)際軍民航空均大量應(yīng)用輕質(zhì)且高效的高性能碳纖維復(fù)合材料。其應(yīng)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(jié)構(gòu)，擴(kuò)展至機(jī)翼、中央翼和機(jī)身等大型主承力結(jié)構(gòu)。最初以F-15戰(zhàn)斗機(jī)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(xiàn)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(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)在其機(jī)翼和機(jī)身的主承力結(jié)構(gòu)中大量使用高強(qiáng)度中模IM7碳纖維與高韌性5250-4雙馬樹(shù)脂復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)用量達(dá)24.2%，顯著降低了重量。同時(shí)，波音B787的機(jī)身及機(jī)翼主承力結(jié)構(gòu)采用符合BMS8-276材料規(guī)范的T800/3900-2高韌性環(huán)氧復(fù)合材料，而空客A350的中央翼盒及機(jī)翼則使用赫氏公司的IMA/M21高韌性環(huán)氧復(fù)合材料，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)用量超過(guò)50%。為了進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量并提高結(jié)構(gòu)效率，日美等國(guó)相繼推出T1100G級(jí)與M40X碳纖維等第三代碳纖維，并建立了完善的數(shù)據(jù)體系，正在軍民領(lǐng)域進(jìn)行驗(yàn)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(lái)，國(guó)內(nèi)聚丙烯腈基碳纖維的制備及應(yīng)用技術(shù)取得了顯著進(jìn)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(guó)內(nèi)外碳纖維技術(shù)進(jìn)步的焦點(diǎn)。本文旨在介紹國(guó)內(nèi)外第三代聚丙烯腈基碳纖維的發(fā)展現(xiàn)狀，分析國(guó)外該類復(fù)合材料的性能與應(yīng)用，提出國(guó)內(nèi)發(fā)展建議，以期為國(guó)產(chǎn)第三代聚丙烯腈基碳纖維的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。一、國(guó)外第三代聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀
自2010年以來(lái)，第三代聚丙烯腈基碳纖維在國(guó)際市場(chǎng)上取得了顯著進(jìn)展。美國(guó)Hexcel公司在巴黎JEC復(fù)合材料展會(huì)上首次推出了強(qiáng)度為6964 MPa、模量為310 GPa的新型高強(qiáng)高模碳纖維IM10，后調(diào)整為強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到7000 MPa，模量為324 GPa。同年3月，日本東麗公司通過(guò)碳化過(guò)程的精細(xì)控制技術(shù)，在納米層級(jí)上對(duì)纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，成功研發(fā)出T1100G碳纖維，其強(qiáng)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(qiáng)度數(shù)據(jù)，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(jí)別的碳纖維（牌號(hào)TENAXXMS32），其強(qiáng)度為6600 MPa，模量為324 GPa。表1匯總了各種T1100級(jí)碳纖維的性能數(shù)據(jù)。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(guò)牽伸和細(xì)旦化等工藝，制備出了與東麗T1100G碳纖維相當(dāng)?shù)男阅?。這些技術(shù)的進(jìn)步為第三代聚丙烯腈基碳纖維的應(yīng)用提供了更為廣泛的基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動(dòng)了其在航空及其他高性能領(lǐng)域的應(yīng)用。注：數(shù)據(jù)為各纖維廠家數(shù)據(jù)卡或報(bào)道數(shù)據(jù)。
2015年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院創(chuàng)新了聚丙烯腈纖維的紡絲技術(shù)，使碳纖維的拉伸強(qiáng)度提升至5500~5800 MPa，拉伸彈性模量達(dá)到354~375 GPa，標(biāo)志著新型高強(qiáng)高模碳纖維性能的重大突破。此后，這一等級(jí)的工業(yè)化產(chǎn)品相繼問(wèn)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(qiáng)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(chǔ)上，拉伸強(qiáng)度提升了30%，達(dá)到T800級(jí)碳纖維的水平。2019年3月，美國(guó)Hexcel公司在巴黎JEC復(fù)合材料展會(huì)上推出了新型高強(qiáng)高模碳纖維HM50，其強(qiáng)度為5860 MPa，模量為345 GPa，后調(diào)整為強(qiáng)度5723 MPa、模量345 GPa。根據(jù)東麗公司的報(bào)告，T1100G碳纖維和M40X碳纖維均屬于第三代碳纖維，展現(xiàn)了新一代碳纖維的兩個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。這一發(fā)展歷程如圖1所示，進(jìn)一步推動(dòng)了第三代聚丙烯腈基碳纖維的應(yīng)用潛力。
根據(jù)日本碳纖維制造商協(xié)會(huì)、日本東麗公司和美國(guó)赫氏公司的分類標(biāo)準(zhǔn)，碳纖維可根據(jù)模量進(jìn)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(yán)格來(lái)說(shuō)，T1100G碳纖維被歸類為高強(qiáng)中模碳纖維，而M40X則屬于高強(qiáng)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(lǐng)域，為材料的選擇和應(yīng)用提供了重要依據(jù)。
二、國(guó)外第三代聚丙烯腈基碳纖維復(fù)合材料的性能與應(yīng)用
針對(duì)復(fù)合材料在損傷容限和抗分層能力等關(guān)鍵技術(shù)難題，美歐日等發(fā)達(dá)國(guó)家并未將碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)能力限制在T800級(jí)水平。隨著T1100級(jí)碳纖維的逐步成功研發(fā)，高強(qiáng)、高模和高韌性復(fù)合材料相繼問(wèn)世。例如，赫氏公司研發(fā)的M91/IM10復(fù)合材料的抗沖擊強(qiáng)度（CAI）達(dá)到了350 MPa，0°壓縮強(qiáng)度為1880 MPa，較T800級(jí)碳纖維復(fù)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(shù)脂匹配的復(fù)合材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的性能，其拉伸強(qiáng)度達(dá)到了3144 MPa，模量達(dá)到了210 GPa，0°壓縮強(qiáng)度為2048 MPa，如表7所示。然而，與IM7/8552復(fù)合材料相比，HM50/8522復(fù)合材料在90°拉伸強(qiáng)度和短梁強(qiáng)度上分別下降了20.3%和27.7%，且缺乏沖擊后壓縮數(shù)據(jù)。這表明，HM50/8522復(fù)合材料的界面性能較傳統(tǒng)T800級(jí)復(fù)合材料遜色，但由于模量的提升，它仍可能展現(xiàn)出比T800級(jí)碳纖維復(fù)合材料更高的減重潛力，盡管具體應(yīng)用尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)告。據(jù)報(bào)道，為了增大航程和載彈量，B-21隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)采用了更高性能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以替代B-2隱形戰(zhàn)斗機(jī)中的金屬結(jié)構(gòu)部件，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重。這一趨勢(shì)顯示出新一代碳纖維復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(qiáng)度達(dá)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(qiáng)高模碳纖維類別，但隨后調(diào)整為新一代高強(qiáng)中模碳纖維。同時(shí)，東麗還通過(guò)納米技術(shù)優(yōu)化了基體樹(shù)脂的性能，開(kāi)發(fā)出與T1000G碳纖維相匹配的樹(shù)脂基體，形成了三種2574預(yù)浸料體系。其復(fù)合材料的性能數(shù)據(jù)如表8所示。東麗公司進(jìn)一步與3940高溫環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行匹配，2017年宣稱復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和抗沖擊性能比上一代產(chǎn)品提升了30%。隨后，通過(guò)與新一代高溫環(huán)氧樹(shù)脂3960結(jié)合使用NanoAlloy技術(shù)，獲得了優(yōu)異的復(fù)合材料性能。與T800/3900-2預(yù)浸料相比，T1100G/3960預(yù)浸料剛度提升了20%以上，具體性能數(shù)據(jù)如表9所示。隨著T1100G碳纖維進(jìn)入批量生產(chǎn)，其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究成為熱點(diǎn)。Shugo等的研究表明，T1100G碳纖維復(fù)合材料在機(jī)翼應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了相較T700S和T800S碳纖維復(fù)合材料的減重效果，分別為14%和9.9%。Spirit AeroSystems公司使用T1100G/3960預(yù)浸料集成制造了蒙皮和長(zhǎng)桁，不僅成功減重，還實(shí)現(xiàn)了30%的成本節(jié)約，如圖4所示。T1100G/3960預(yù)浸料已應(yīng)用于多個(gè)武器系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，還被用于Overair電動(dòng)垂直起降飛機(jī)的機(jī)身和推進(jìn)系統(tǒng)，如圖5所示。2023年4月，東麗公司在官網(wǎng)發(fā)布了其采用T1100/2510單向和平紋預(yù)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(shù)脂體系，并完善了相關(guān)數(shù)據(jù)，形成了數(shù)據(jù)卡，如表10所示。然而，該體系的具體應(yīng)用目前尚未有詳細(xì)報(bào)告。
圖4 在巴黎航空展上首次亮相的5.5m x 3.7m 的機(jī)身結(jié)構(gòu)件實(shí)物圖
圖5 Overair電動(dòng)垂直起降飛機(jī)應(yīng)用T1100G/3960復(fù)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(qiáng)度達(dá)到了5700 MPa，模量達(dá)到377 GPa。M40X碳纖維不僅在強(qiáng)度和模量方面取得了顯著提升，同時(shí)還具備類似T800碳纖維的優(yōu)良界面特性。通過(guò)匹配采用NanoAlloy技術(shù)的樹(shù)脂基體，形成了高強(qiáng)高模復(fù)合材料，這種材料既具備高強(qiáng)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(yīng)用，如圖6所示。然而，關(guān)于該碳纖維在航空航天領(lǐng)域的具體應(yīng)用尚未有相關(guān)報(bào)道。這表明M40X碳纖維雖然在輕量化和強(qiáng)度方面具有巨大潛力，但其在航空航天領(lǐng)域的研究和應(yīng)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(shí)物圖
三、國(guó)內(nèi)第三代聚丙烯腈基碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀
隨著國(guó)內(nèi)碳纖維研制能力的提升，多家單位已開(kāi)始試制強(qiáng)度更高、模量更大的碳纖維。在相關(guān)部委的支持下，這些單位著手規(guī)劃并推進(jìn)新一代碳纖維的研制。威海拓展、中簡(jiǎn)科技、長(zhǎng)勝科技、江蘇恒神、山西鋼科等公司已公開(kāi)宣布成功研發(fā)出第三代碳纖維，基本突破了T1100級(jí)和M40X級(jí)碳纖維的制備關(guān)鍵技術(shù)。其主要性能接近東麗碳纖維的水準(zhǔn)，但尚未形成規(guī)模化生產(chǎn)，且在線密度、強(qiáng)度、模量等整體性能上仍存在一定差距，穩(wěn)定性還需進(jìn)一步驗(yàn)證。其中，江蘇恒神在2022年法國(guó)JEC展會(huì)上推出了T1100級(jí)和M40X級(jí)高性能碳纖維產(chǎn)品。具體性能指標(biāo)顯示，HF60（T1100級(jí)）碳纖維的拉伸強(qiáng)度為7000 MPa，拉伸模量為320 GPa；HM50E（M40X級(jí)）碳纖維的拉伸強(qiáng)度為5700 MPa，拉伸模量為380 GPa。針對(duì)第三代碳纖維，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位也在積極研發(fā)與之匹配的高性能樹(shù)脂體系，并進(jìn)行復(fù)合材料性能驗(yàn)證，以期進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)效率。這些材料未來(lái)有望應(yīng)用于新一代航空航天及民用領(lǐng)域。然而，國(guó)內(nèi)在第三代碳纖維的研發(fā)過(guò)程中仍面臨幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：1. 損傷阻抗與損傷容限平衡：隨著強(qiáng)度和模量的提升，碳纖維復(fù)合材料的損傷容限是否滿足航空結(jié)構(gòu)對(duì)目視可見(jiàn)沖擊損傷的應(yīng)用要求仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。2. 表面惰性問(wèn)題：碳纖維在模量提升后，其表面惰性問(wèn)題加劇，因此需要開(kāi)發(fā)新的表面處理技術(shù)和上漿劑，以優(yōu)化碳纖維、上漿劑與樹(shù)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(shí)降低生產(chǎn)成本，是行業(yè)面臨的主要挑戰(zhàn)。總體而言，國(guó)外第三代碳纖維，尤其是T1100級(jí)碳纖維，已成為可供應(yīng)市場(chǎng)的產(chǎn)品，并與中溫樹(shù)脂、高溫環(huán)氧樹(shù)脂及雙馬樹(shù)脂等進(jìn)行匹配，獲取了較為完善的復(fù)合材料性能數(shù)據(jù)，部分應(yīng)用已通過(guò)復(fù)合材料構(gòu)件驗(yàn)證，廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域，展現(xiàn)出良好的減重與性能提升潛力。為此，中國(guó)應(yīng)借鑒國(guó)外的研究成果、設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，盡快推動(dòng)國(guó)產(chǎn)第三代聚丙烯腈基碳纖維的研制與穩(wěn)定生產(chǎn)。同時(shí)，相關(guān)上漿劑與高性能樹(shù)脂的研發(fā)，以及復(fù)合材料應(yīng)用的研究也應(yīng)同步展開(kāi)，以構(gòu)建國(guó)內(nèi)第三代碳纖維及其復(fù)合材料體系，進(jìn)一步提升我國(guó)在先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域的技術(shù)水平。文獻(xiàn)來(lái)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.