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日美竞相突破第三代碳纤维手艺

时间：2016-03-22 泉源：战略前沿手艺

近年来，，日美第三代碳纤维研究一直获得突破。。。。。。继2014年日本东丽公司研制乐成T1100G新型碳纤维，，2015年7月，，在DARPA资助下，，美国佐治亚理工学院立异聚丙烯腈基碳纤维纺丝手艺，，将碳纤维模量提高到了一个新的里程碑，，凌驾了现在在军机中普遍接纳的赫氏IM7碳纤维，，标记着美国继日本之后，，成为天下上第二个掌握第三代碳纤维手艺的国家。。。。。。日美先后突破第三代碳纤维手艺，，将为两国大幅度提升航空武器装备性能提供了重大的手艺空间。。。。。。

一、碳纤维是航空航天要害原质料，，商业化产品已经生长到第二代

碳纤维复合质料轻质、高强、高模，，可比古板铝合金结构减重30%，，对武器装备性能提升孝顺重大，，被普遍用于制造航空器机体及发念头、导弹外壳等。。。。。。美国F-22、F-35战斗机的碳纤维复合质料用量比例划分抵达24%、36%，，以A350、B787为代表的新型大型民机的用量比例更是抵达了50%以上。。。。。。碳纤维复合质料的运用已成为权衡武器装备先进性的标记之一。。。。。。碳纤维是组成复合质料的要害原质料，，肩负着复合质料约90%的载荷，，其拉伸强度和弹性模量是实现复合质料结构性能目的的要害。。。。。。

碳纤维复合质料的增强体——碳纤维丝

日美垄断着高端碳纤维市场。。。。。。高端碳纤维绝大部分是小丝束的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维。。。。。。现在全球最主要的6家小丝束碳纤维供应商的占比情形是：日本东丽公司35%~40%、东邦公司23%、三菱丽阳公司14%；；；美国赫氏公司12%、氰特工业公司8%；；；台湾塑料工业和英国SGL公司3%~5%。。。。。。日本3家企业的碳纤维约占全球70%~80%的市场份额，，其中东丽公司产能最大，，产品性能最好，，是全球最大的碳纤维供应商，，代表了日本最高的手艺水平和研发实力。。。。。。美国的2家企业市场占有率约为20%，，其中赫氏公司拥有40多年为美国军机开发应用碳纤维的履历，，能够自主生产供应碳纤维，，是美国中模量碳纤维手艺的向导者；；；氰特工业公司以碳纤维的后续产品预浸料为主，，碳纤维产品性能和研发能力低于赫氏。。。。。。台湾塑料工业公司及SGL的产品性能略低于日本和美国的水平。。。。。。

碳纤维复合质料的增强体——碳纤维织物

日本和美国在普遍应用的第二代碳纤维产品上性能相当。。。。。。碳纤维以拉伸强度和弹性模量为主要指标，，现在商业化产品已经生长到第二代。。。。。。第一代以上世纪六十年月东丽公司的T300和赫氏公司的AS4低强低模碳纤维为代表，，T300主要用于B737等型号的次承力构件，，AS4应用在早期F-14战斗机的平尾等。。。。。。第二代以上世纪八十年月东丽公司的T800和赫氏公司IM7的高强中模碳纤维系列为代表，，同代产品尚有东丽的T700、T1000，，赫氏的IM8、IM9等。。。。。。T800强度比T300强度提高了68%，，模量提高了28%，，大宗用于A350、B787的机翼机身主承力结构。。。。。。IM7比AS4强度提高了37%，，模量提高了21%，，大宗用于美国的“三叉戟”Ⅱ潜射导弹及F-22、F-35战斗机等。。。。。。

表1主要碳纤维产品性能

二、第二代碳纤维模量偏低，，限制了航空武器装备性能提升

第二代碳纤维难以知足新一代航空武器装备的性能要求。。。。。。现阶段，，航空航天等领域最普遍应用的是第二代高强中模碳纤维，，由于模量偏低，，且碳纤维质料脆性大，，易导致复合质料结构部件的疲劳损伤，，甚至爆发灾难性破损，，限制了航空武器装备性能的提升。。。。。。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率、航程、无邪性、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、攻击性能等综合性能更高的碳纤维。。。。。。尽快提高碳纤维模量的战略意义日益突出、需求日益迫切。。。。。。要获得综合性能高的碳纤维，，就必需在强度和模量这两个基本属性上取得突破。。。。。。
波音787宽体客机的碳纤维复合质料的用量占比抵达了50%

第三代碳纤维的主要手艺特征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的手艺难点。。。。。。原丝制备和碳化是碳纤维制备的两个要害工艺：高质量的PAN原丝是实现碳纤维高性能和批量生产的要害；；；碳化历程的控制与碳纤维的拉伸强度和弹性模量直接相关。。。。。。多年的碳纤维研制履历批注：大幅度地提高碳纤维弹性模量时，，拉伸强度会显着降低；；；而当坚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。。。。。。究其缘故原由，，碳纤维是由大宗石墨微晶组成的各向异性子料。。。。。。高强碳纤维通常要求微晶尺寸较�。。。。。。�，而高模碳纤维通常要求微晶尺寸较大，，怎样战胜这一矛盾是碳纤维研制中的最浩劫题。。。。。。

三、日美从两条差别的途径突破了碳纤维手艺瓶颈

日本东丽公司通过突破碳化工艺，，使碳纤维强度和模量同时提升10%以上，，率先突破了第三代碳纤维手艺。。。。。。东丽公司以为，，碳纤维同时获得高拉伸强度和弹性模量的要害在于碳化历程中的热处置惩罚手艺及高温装备。。。。。。在热处置惩罚手艺方面，，温度、牵伸、催化、磁场等许多因素都会影响纤维碳化后的性能。。。。。。2014年3月，，东丽宣布研制乐成的T1100G碳纤维，，标记着日本的碳纤维商业化产品即将跨入高强高模的第三代。。。。。。东丽使用古板的PAN溶液纺丝手艺，，细腻控制碳化历程，，接纳先进的纳米手艺，，在纳米标准上改善碳纤维的微结构，，对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等举行控制，，从而使强度和模量都获得大幅提升。。。。。。T1100G的拉伸强度6.6吉帕，，比T800提高12%；；；模量324吉帕，，提高10%，，正进入工业化阶段。。。。。。

与T800S相比，，东丽公司的第三代T1100G的拉伸强度和拉升模量都有显著提高

美国佐治亚理工学院研究小组通过突破原丝制备工艺，，在坚持碳纤维高强度同时，，模量提升28%以上。。。。。。赫氏公司的碳纤维产品三十年来一直停留在中模水平，，性能难以突破。。。。。。美国防部国防高级研究妄想局（DARPA）在2006年启动先进结构纤维项目，，目的是召集天下优势科研实力，，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，，组建了专门的碳纤维生产线，，从原丝制备工艺入手，，提高碳纤维模量。。。。。。2015年7月，，该研究小组使用立异的PAN基碳纤维凝胶纺丝手艺，，将碳纤维拉伸强度提升至5.5~5.8吉帕，，拉伸模量达354~375吉帕。。。。。。虽然拉伸强度和IM7相当，，但模量实现28%~36%的大幅提升。。。。。。这是现在报道的碳纤维高强度和最高模量组合，，机理是凝胶把聚合物链联络在一起，，爆发强劲的链内力和微晶取向的定向性，，包管在高模所需的较大微晶尺寸情形下，，仍具备高强度。。。。。。证实美国具备了第三代碳纤维产品的自主研发实力。。。。。。

日美两条差别的手艺途径都能获得高强高模碳纤维。。。。。。从现在的研究效果来看，，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；；；美国的产品模量更高，，更适用抗弯、抗攻击、抗疲劳强度设计值高的部件。。。。。。日美相关企业和机构都明确体现第三代碳纤维的应用目的是航空航天高端市�。。。。。。�，替换现在的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，，减薄结构厚度、减轻重量，，提高航行速率、大幅提升无邪性能。。。。。。东丽是古板PAN溶液纺丝手艺的先驱，，原丝手艺高度成熟，，工业化能力强，，从一、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周全投放市场。。。。。。美国放弃古板溶液原丝制备工艺，，接纳凝胶纺丝手艺，，有更大余地对工艺优化，，碳纤维性能也有更大提升空间。。。。。。美国妄想于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手艺而大幅提高作战性能。。。。。。

四、竣事语

日美垄断了高性能碳纤维的手艺和市�。。。。。。�，并且对我国接纳严密的产品禁运和手艺封闭，，严重阻碍了以我国为代表的新兴国家挑战西方蓬勃国家在航空航天领域的领先及主导职位。。。。。。从日美起劲研发第三代碳纤维，，我们可以得出：一是美国在日本碳纤维对其富足供应的情形下，，从第一代碳纤维最先一直坚持走海内自主研发、自主包管的蹊径，，充分展现了碳纤维对国防清静的战略意义。。。。。。我国第二代碳纤维手艺尚未周全突破，，如不实时跟进第三代碳纤维的手艺开发，，会造成与外洋下一代航空武器装备性能差别的加大。。。。。。因此，，我国应在安排第二代碳纤维工业链的同时，，前瞻性地结构第三代高性能碳纤维研发。。。。。。

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