【技术干货】从东丽创新技术发展解析为何高强度高模量碳纤维将成为下一代碳纤维产品主流
摘 要
日本东丽公司作为全球PAN基碳纤维领先的制造商，其PAN基碳纤维产量不但高居全球碳纤维制造商的首位，而且其领先的技术一直是碳纤维领域风向标。前期文章《详细解析日本东丽最新型高模量碳纤维及热塑性颗粒》（阅读原文）中，介绍了东丽公司自从上世纪80年代末到2010年前后在将近20年时间里，都少有新型产品问世，但是在近期短短不到10年时间，先后研发出T1100G（2014年）、M40X（2018年）和最新高模量碳纤维三款产品。
实际上除了上述三款最新型碳纤维，2017年11月日本东丽也推出了一款Z600型碳纤维，但是该产品及其技术主要基于东丽收购的卓尔泰克Zoltek公司，因此未归到东丽公司创新技术之列。有关Z600碳纤维可延伸阅读本公众号原创文章《深度解密日本东丽最新产品Z600碳纤维》（阅读原文）。
本文主要分析了日本东丽公司T1100G、M40X和最新型高模量碳纤维产品的研发背景和历程，针对三款纤维产品特点与传统碳纤维进行了对比分析，最后简要介绍了兼具高强度高模量特性的碳纤维将会成为下一代碳纤维的主流趋势原因。
T1100G：重夺高强型碳纤维龙头地位
日本东丽公司作为全球PAN基碳纤维领先的制造商，长期占据该领域产品和技术领先地位，尤其是在高强型碳纤维领域，日本东丽T300、T800先后通过航空飞机材料体系验证，而T1000碳纤维强度也达到6370MPa。虽然1990s东丽公司碳纤维最高强度号称达到7000MPa，但是一直未商品化生产，因此6370MPa成为东丽商品化产品中强度最高的碳纤维。
在随后的20年间，日本东丽一直利用既有牌号的高强型碳纤维在军用、民用市场上受益，直至2010年，美国Hexcel公司推出了全球首款航空用第三代超高强中模碳纤维IM10碳纤维（阅读原文），该款纤维的拉伸强度不但达到6791 MPa，而且模量也使高强型碳纤维首次突破300GPa，达到310GPa。
为了重夺高强型碳纤维技术产品制高点，日本东丽加速研发进程，通过利用传统的PAN溶液纺丝技术，精细控制碳化过程，在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，通过对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等进行控制，于2014年3月成功开发出拉伸强度6600MPa、拉伸模量324GPa的T1100G碳纤维。可延伸阅读本公众号原创文章《日本东丽T1100级碳纤维性能详解及应用实例》（阅读原文）。
2017年，日本东丽公司T1100G碳纤维成功实现商业化，而且产品性能进行进一步修正，其中T1100碳纤维拉伸强度由6600MPa修正为7000MPa、拉伸模量保持不变，并同时公布了纤维规格、线密度、伸长等指标。东丽公司T1100G成功实现商品化使得日本东丽重新回到高强型碳纤维龙头地位。
如果说2017年T1100G碳纤维商品化使得日本东丽重回高强型碳纤维龙头地位，那么新型高强高模碳纤维M40X产业研发成功，则显示出日本东丽公司在为加速替代传统T800级高强中模碳纤维和M40J级高强高模碳纤维而努力。
2018年11月19日，日本东丽公司宣布开发出新的碳纤维，获得了更高的拉伸强度和拉伸模量，并将其命名为M40X，随后计划扩大其产品线。M40X碳纤维拉伸强度5700MPa、拉伸模量377GPa，其强度要略高于东丽T800强度5490MPa，而模量则比T800的294GPa高出28%；而M40X碳纤维与航天用M40J相比，模量与之相同，但强度比M40J的4410MPa高出29%。
日本东丽M40X型高强高模碳纤维的研发成功解决了长期以来碳纤维高强度和高模量难以共存的难题，而且由于纤维高强度优势使得M40X断裂伸长率突破了1.5%；高强度、大伸长满足了航空材料应用特性需求，而高强度、高模量又可满足航天结构材料特性需求。因此，M40X有望在高端航空航天领域实现应用，并可能替代传统的T800级高强中模碳纤维和M40J级高强高模碳纤维。
与此同时，美国Hexcel公司也不甘示弱，在2019年3月12日的巴黎复合材料展览会上推出了HexTow HM50型碳纤维，其拉伸强度5860MPa、拉伸模量345GPa。随后在2019年中，Hexcel公司对HM50型碳纤维性能指标进行了修正，拉伸强度保持不变，而模量进一步提升到359 GPa。
在新型高强高模碳纤维领域，中科院宁波材料所紧跟技术前沿，2019年7月实现拉伸强度5700-5900MPa、拉伸模量320-340GPa规格CNI30X型新型高强高模碳纤维的批量稳定制备，在线抽样检测纤维强度6023GPa、模量321GPa；2019年10月实现拉伸强度5500-5700MPa，拉伸模量360-380GPa规格CNI40X型新型高强高模碳纤维（相当于东丽M40X）的批量稳定制备，在线抽样检测纤维强度5625GPa、模量377GPa。
2020年5月21日，日本东丽开发出最新款高模量碳纤维，其拉伸强度4800MPa、拉伸模量390GPa。关于该款纤维简介可延伸阅读《详细解析日本东丽最新型高模量碳纤维及热塑性颗粒》（阅读原文）。
与M40X型碳纤维意欲抢占高端航空航天领域不同，该款高模量碳纤维则瞄准了工业应用领域，产品强度略低于东丽T700的4900MPa，但是模量提升了70%，从而保证最终碳纤维结构件具有超高刚度特性；而且该款纤维体密度仅为1.74g/cm³，要低于T700纤维的1.80g/cm³，因此具有更加优异的轻量化效果，因此该款产品有望替代传统的T700碳纤维，而其最终应用也将瞄准汽车轻量化等领域。
按照传统石墨化工艺，如果碳纤维模量达到390GPa时，根本无法保证纤维直径7μm，且体密度仅为1.74g/cm³。在东丽公司高模量碳纤维中只有第一代高模量碳纤维M40纤维直径达到7μm，且拉伸模量达到392GPa，但M40碳纤维的拉伸强度仅为2740MPa，且体密度也高达1.81g/cm³。此外，东丽公司MJ系列高模碳纤维直径均在5μm一下，因此单单从性能指标上就可以看出东丽公司该款最新型高模量碳纤维具有较高的技术创新性。
综上所述，T1100G碳纤维产品是东丽公司为了重夺高强型碳纤维龙头地位而研发，除此之外，M40X和最新款高模量碳纤维主要目的则在于针对传统的高端航空航天和工业领域产品替代而研发，而这两款纤维特点均显示出高模量的特点，作为全球PAN基碳纤维技术风向标，高模量碳纤维有望成为下一代碳纤维发展重点。
当然所谓的下一代高模量碳纤维也要兼具高强度特性。高性能碳纤维之所以在航空航天、体育、汽车、建筑等领域获得应用，首先要归功于其优异的高强度特性，而高强型碳纤维如T300、T700、T800等作为早期研发成功产品至今仍在市场上占据极高的地位，但高强型碳纤维也有一定局限，拉伸模量均低于300GPa，随后日本东丽公司研发出了MJ系列碳纤维，该系列碳纤维模量大幅提升，但是却以大幅牺牲拉伸强度为代价。而近期日本东丽开发的M40X和最新款的高模量碳纤维均体现出了兼具高强度高模量特性，拉伸模量的提高可以赋予构件更高的结构刚度和尺寸稳定性，两者特性兼具有望使其成为传统高强型碳纤维和MJ系列产品的替代品。
虽然从M40X型碳纤维综合性能指标上分析可以替代传统的T800和M40J碳纤维，但是对于航天用高模量碳纤维目前主流产品为M55J、M60J级高模碳纤维，两款纤维拉伸模量分别高达540GPa、588GPa，但是两者强度均低于4100MPa；因此随着近年来国内外航天领域高速发展及其对高模碳纤维需求剧增，单纯从碳纤维制备技术而言，估计未来日本东丽公司有可能开发M55X、M60X型碳纤维，该型碳纤维性能在保证纤维模量＞500GPa的同时，强度有可能达到5000MPa及以上。
国内碳纤维长期处于跟踪模仿状态，尤其是以模仿日本东丽公司碳纤维为主，若要实现弯道超车，必须要加强自主创新能力研发，形成自主知识产权体系。中科院宁波材料所在高性能碳纤维国产化领域始终走在国内前列，经过十余年发展已经突破T1000、M55J、M60J级碳纤维关键技术，并形成自主知识产权体系，而在东丽2018年底推出M40X型碳纤维后，宁波材料所也于2019年10月实现M40X型技术突破，体现了在高性能碳纤维领域技术基础和经验积累。而在下一代M55X型碳纤维研制方面，目前宁波材料所研发高模量碳纤维在模量达到544GPa的同时，强度最高可达4994MPa（下图为第三方测试报告），在未来研究工作中将继续开展相关研究工作，诚挚欢迎国内相关领域企事业单位开展联合攻关，争取早日突破国产化新型高强度高模量碳纤维产业化技术。