相比傳統(tǒng)的金屬材料和其他纖維制成的復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料具備質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、彈性模量高的特點(diǎn)，可比傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)減重30%，對(duì)武器裝備性能提升貢獻(xiàn)巨大，被廣泛用于制造航空器機(jī)體及發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)彈外殼等。美國(guó)F-22、F-35戰(zhàn)斗機(jī)的碳纖維復(fù)合材料用量比例分別達(dá)到24%和36%，以A350、波音787為代表的新型大型民機(jī)的碳纖維復(fù)合材料用量比例更是達(dá)到了50%以上。碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用已成為衡量武器裝備先進(jìn)性的標(biāo)志之一。碳纖維是構(gòu)成復(fù)合材料的關(guān)鍵原材料，承擔(dān)著復(fù)合材料約90%的載荷，其拉伸強(qiáng)度和彈性模量是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能目標(biāo)的關(guān)鍵。

碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)是航空工業(yè)制造水平的重要標(biāo)志之一。

市場(chǎng)發(fā)展

高端碳纖維市場(chǎng)一直為日美兩國(guó)所壟斷。高端碳纖維絕大部分是小絲束的聚丙烯腈（PAN）基碳纖維。目前全球最主要的6家小絲束碳纖維供應(yīng)商的市場(chǎng)占比情況是：日本東麗公司占35%～40%、東邦公司占23%、三菱麗陽(yáng)公司占14%；美國(guó)赫氏公司占12%、氰特工業(yè)公司占8%；臺(tái)灣塑料工業(yè)和英國(guó)SGL公司占3%～5%。日本3家企業(yè)的碳纖維約占全球70%～80%的市場(chǎng)份額，其中東麗公司產(chǎn)能最大，產(chǎn)品性能最好，是全球最大的碳纖維供應(yīng)商，代表了日本最高的技術(shù)水平和研發(fā)實(shí)力。美國(guó)的兩家企業(yè)市場(chǎng)占有率約為20%，其中赫氏公司擁有40多年為美國(guó)軍機(jī)開(kāi)發(fā)應(yīng)用碳纖維的經(jīng)驗(yàn)，能夠自主生產(chǎn)供應(yīng)碳纖維，是美國(guó)廠家中高模量碳纖維技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者；氰特工業(yè)公司以碳纖維的后續(xù)產(chǎn)品預(yù)浸料為主，碳纖維產(chǎn)品性能和研發(fā)能力低于赫氏。臺(tái)灣塑料工業(yè)公司及SGL的產(chǎn)品性能略低于日本和美國(guó)的水平。

碳纖維以拉伸強(qiáng)度和彈性模量為主要指標(biāo)，目前商業(yè)化產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到第二代，日美兩國(guó)在廣泛應(yīng)用的第二代碳纖維產(chǎn)品上性能相當(dāng)。第一代以20世紀(jì)60年代東麗公司的T300和赫氏公司的AS4低強(qiáng)低模碳纖維為代表，T300主要用于波音737等型號(hào)的次承力構(gòu)件，AS4應(yīng)用在早期F-14戰(zhàn)斗機(jī)的平尾等部位。第二代高強(qiáng)度、中等模量碳纖維以20世紀(jì)80年代東麗公司的T800和赫氏公司IM7系列為代表，同代產(chǎn)品還有東麗的T700、T1000，赫氏的IM8、IM9等。T800強(qiáng)度比T300強(qiáng)度提高了68%，模量提高了28%，大量用于A350、波音787等飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身的主承力結(jié)構(gòu)。IM7比AS4強(qiáng)度提高了37%，模量提高了21%，大量用于美國(guó)的“三叉戟”Ⅱ潛射導(dǎo)彈及F-22、F-35戰(zhàn)斗機(jī)等。

第二代碳纖維模量偏低

現(xiàn)階段，航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的是第二代高強(qiáng)度中等模量碳纖維，由于模量偏低，且碳纖維材料脆性大，易導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的疲勞損傷，甚至發(fā)生災(zāi)難性破壞，限制了航空武器裝備性能的提升，更難以滿足新一代航空武器裝備的性能要求。隨著美國(guó)啟動(dòng)第六代戰(zhàn)斗機(jī)、新一代遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、第一代無(wú)人艦載作戰(zhàn)飛機(jī)的研制，航空武器裝備對(duì)巡航速度、航程、機(jī)動(dòng)性、隱身性能、防護(hù)能力和維修性等指標(biāo)都提出了更高要求，這就需要拉伸強(qiáng)度、斷裂韌性、沖擊性能等綜合性能更高的碳纖維。要獲得綜合性能高的碳纖維，就必須在強(qiáng)度和模量這兩個(gè)基本屬性上取得突破，而第三代碳纖維的主要技術(shù)特征就是同時(shí)實(shí)現(xiàn)高拉伸強(qiáng)度和高彈性模量。

同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量是碳纖維研制過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)。原絲制備和碳化是碳纖維制備的兩個(gè)核心工藝：高質(zhì)量的PAN原絲是實(shí)現(xiàn)碳纖維高性能和批量生產(chǎn)的關(guān)鍵；碳化過(guò)程的控制與碳纖維的拉伸強(qiáng)度和彈性模量直接相關(guān)。多年的碳纖維研制經(jīng)歷表明：大幅度地提高碳纖維彈性模量時(shí)，拉伸強(qiáng)度會(huì)明顯降低；而當(dāng)保持碳纖維的高拉伸強(qiáng)度時(shí)，又很難大幅度提高纖維的彈性模量。究其原因，碳纖維是由大量石墨微晶組成的各向異性材料。高強(qiáng)度碳纖維通常要求微晶尺寸較小，而高模碳纖維通常要求微晶尺寸較大，如何解決這一矛盾是碳纖維研制中的最大難題。

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