【技术干货】详细解析日本东丽最新型高模量碳纤维及热塑性颗粒
近期日本东丽公司官方网站发布其在高模量碳纤维领域的最新研究进展，开发出拉伸强度4.8GPa、拉伸模量390GPa的高模量碳纤维；与东丽2018年推出的M40X型碳纤维相比（拉伸强度5.7GPa、拉伸模量377GPa）相比，该款纤维的力学性能并不出色，但其直径达到7μm，要高于M40X型纤维5μm，具有较显著的成本优势。
5月21日，日本东丽公司宣布开发出一种最新款高模量碳纤维和热塑性颗粒，而该热塑性颗粒非常适合使用该纤维进行注塑成型加工，且通过使用这些颗粒能够有效地生产出轻量化、具有复杂结构的高刚性零件，在降低对环境影响的同时，也可以大大提高成本效益。东丽公司将在未来三年内推进研发工作，以推进纤维和热塑性颗粒的商业化。
目前日本东丽公司的TORAYCA®T系列高强度碳纤维已经广泛应用于压力容器、汽车、其他工业应用以及航空航天市场。2014年，东丽公司推出了TORAYCA T1100G碳纤维，该款碳纤维具有全球最高的拉伸强度7.0 GPa，而拉伸模量也达到320 GPa。
2018年，日本东丽公司通过采用专有的纳米级纤维结构控制技术来平衡高压缩强度、高拉伸强度和高拉伸模量，成功开发出拉伸强度5.7GPa、拉伸模量377GPa的TORAYCA M40X型高强高模碳纤维，该纤维由于兼具高强度和高模量，有望在高端运动器材和航空航天结构材料中实现应用。但该型碳纤维直径为5μm，细直径会影响生产率，并导致高昂的生产成本。
而在此次宣布的最新成果中，日本东丽进一步发展适用于TORAYCA ®MX系列的纳米级结构控制技术，均匀控制直径7μm的纤维内部结构，拉伸模量达到了390GPa，与传统工业用TORAYCA 系列产品（T700）相比，模量提升了70%，并具有更高的性价比。
最新研发的高模量碳纤维通过与新研发的TORAYCA®Pettlet热塑性粒料结合，采用注塑成形工艺加工得到的粒料拉伸模量达到41GPa，与镁合金模量（45GPa）相当，同时该粒料的比重仅为1.4，而镁合金比重为1.8。因此，通过使用这些新的热塑性颗粒采用注塑成形可制造复杂形状的零件且大大提高生产率，并为零部件的轻量化做出巨大贡献。
目前，东丽公司希望为其先进的热塑性粒料开发更广泛的应用领域，包括用于下一代轻型汽车零件以及整个工业领域。
首先，从应用领域而言，该款新型高模量碳纤维产品主要目标应用领域是工业领域，因此在产品性能指标对比时，该款纤维是与工业级T700碳纤维进行对比，两者纤维强度相近，但该新型高模量碳纤维模量由230GPa提高到了390GPa，而且由于纤维体密度仅为1.74，因此工业领域应用时轻量化效果显著但却可以大幅提高零部件的结构刚度。为了实现该款产品应用，东丽公司也开发了配套应用的热塑性颗粒，可见其确以工业应用为目标。
其次，技术关键点在于石墨化阶段的纳米结构控制技术。该新型碳纤维与传统T700碳纤维相比，模量大幅提升而强度几乎无下降，之所以取得该创新成果，主要是借鉴了2018年新产品M40X研发经验，但是两者又有所不同。在研发出M40X型碳纤维之前，日本东丽M40J碳纤维强度4.4GPa、拉伸模量377GPa，而开发的M40X是在保持模量同为377GPa的情况，强度由M40J的4.4GPa提升到了M40X型的5.7GPa。从M40X和此次新型高模量碳纤维可以看出，目前日本东丽公司在纤维结构与性能之间控制上已经轻车熟路。
自从上世纪80年代末日本东丽公司T系列和MJ系列产品固化以来，直至2010年前后在将近20年时间里，日本东丽公司都少有新型产品问世，但是自从2014年的T1100G、2018年的M40X，以及此次最新高模量碳纤维，东丽公司在短短不到十年时间完成了三种新产品的研发，一方面体现了东丽公司在碳纤维领域技术先进性和深厚的技术基础，另一方面如此高频率推出新产品主要原因主要是国际竞争加剧。
目前对日本东丽构成直接威胁的是美国Hexcel公司，有关两者竞争可以详见