先进复合材料因其优越性能，已与铝合金、钛合金共同成为航空领域的三大主要材料，其使用量被视为飞机结构先进性的重要指标。为满足航空装备在高性能和轻量化方面的需求，国际军民航空均大量应用轻质且高效的高性能碳纤维复合材料。其应用范围已从早期的襟翼、方向舵及整流罩等非承力和次承力结构，扩展至机翼、中央翼和机身等大型主承力结构。最初以F-15战斗机的方向舵和F-16垂尾蒙皮采用第一代碳纤维T300或AS4为例，现已逐渐替换为以东丽T800碳纤维或其等效材料IM7、IMA为主的第二代碳纤维。例如，美国F-22战斗机在其机翼和机身的主承力结构中大量使用高强度中模IM7碳纤维与高韧性5250-4双马树脂复合材料，结构用量达24.2%，显著降低了重量。同时，波音B787的机身及机翼主承力结构采用符合BMS8-276材料规范的T800/3900-2高韧性环氧复合材料，而空客A350的中央翼盒及机翼则使用赫氏公司的IMA/M21高韧性环氧复合材料，复合材料结构用量超过50%。为了进一步降低结构质量并提高结构效率，日美等国相继推出T1100G级与M40X碳纤维等第三代碳纤维，并建立了完善的数据体系，正在军民领域进行验证与推广，成为聚丙烯腈基碳纤维发展的主要方向之一。近年来，国内聚丙烯腈基碳纤维的制备及应用技术取得了显著进展，具备了研发第三代碳纤维的能力。因此，第三代聚丙烯腈基碳纤维已成为国内外碳纤维技术进步的焦点。本文旨在介绍国内外第三代聚丙烯腈基碳纤维的发展现状，分析国外该类复合材料的性能与应用，提出国内发展建议，以期为国产第三代聚丙烯腈基碳纤维的研发和应用提供参考。一、国外第三代聚丙烯腈基碳纤维发展现状
自2010年以来，第三代聚丙烯腈基碳纤维在国际市场上取得了显著进展。美国Hexcel公司在巴黎JEC复合材料展会上首次推出了强度为6964 MPa、模量为310 GPa的新型高强高模碳纤维IM10，后调整为强度6826 MPa、模量313 GPa。2014年1月，日本三菱公司发布了MR70碳纤维，强度达到7000 MPa，模量为324 GPa。同年3月，日本东丽公司通过碳化过程的精细控制技术，在纳米层级上对纤维结构进行调控，成功研发出T1100G碳纤维，其强度较T800H碳纤维提升了20%，模量提高了10%。到2017年6月，东丽公司再次更新T1100G的强度数据，从6600 MPa提升至7000 MPa。此外，2015年7月，日本东邦公司也推出了T1100级别的碳纤维（牌号TENAXXMS32），其强度为6600 MPa，模量为324 GPa。表1汇总了各种T1100级碳纤维的性能数据。从表中可以看出，东丽公司的T1100G碳纤维具有更高的线密度，而Hexcel公司的IM10碳纤维和三菱公司的MR70碳纤维则通过牵伸和细旦化等工艺，制备出了与东丽T1100G碳纤维相当的性能。这些技术的进步为第三代聚丙烯腈基碳纤维的应用提供了更为广泛的基础，进一步推动了其在航空及其他高性能领域的应用。
2015年，美国佐治亚理工学院创新了聚丙烯腈纤维的纺丝技术，使碳纤维的拉伸强度提升至5500~5800 MPa，拉伸弹性模量达到354~375 GPa，标志着新型高强高模碳纤维性能的重大突破。此后，这一等级的工业化产品相继问世。2018年11月，日本东丽公司推出了TORAYCAMX系列碳纤维M40X，其拉伸强度为5700 MPa，模量为377 GPa，M40X的新型碳纤维在保持M40J模量不变的基础上，拉伸强度提升了30%，达到T800级碳纤维的水平。2019年3月，美国Hexcel公司在巴黎JEC复合材料展会上推出了新型高强高模碳纤维HM50，其强度为5860 MPa，模量为345 GPa，后调整为强度5723 MPa、模量345 GPa。根据东丽公司的报告，T1100G碳纤维和M40X碳纤维均属于第三代碳纤维，展现了新一代碳纤维的两个重点发展方向。这一发展历程如图1所示，进一步推动了第三代聚丙烯腈基碳纤维的应用潜力。
根据日本碳纤维制造商协会、日本东丽公司和美国赫氏公司的分类标准，碳纤维可根据模量进行区分，如表2至表5所示。从这些表格中可以看出，模量在340~350 GPa之间是中模与高模的分界线。严格来说，T1100G碳纤维被归类为高强中模碳纤维，而M40X则属于高强高模碳纤维。这一分类有助于明确不同类型碳纤维的性能特征及其适用领域，为材料的选择和应用提供了重要依据。
二、国外第三代聚丙烯腈基碳纤维复合材料的性能与应用
针对复合材料在损伤容限和抗分层能力等关键技术难题，美欧日等发达国家并未将碳纤维复合材料的技术能力限制在T800级水平。随着T1100级碳纤维的逐步成功研发，高强、高模和高韧性复合材料相继问世。例如，赫氏公司研发的M91/IM10复合材料的抗冲击强度（CAI）达到了350 MPa，0°压缩强度为1880 MPa，较T800级碳纤维复合材料有所提升，尽管模量提升并不显著，如表6所示。Hexcel公司的HM50碳纤维与8522树脂匹配的复合材料表现出较强的性能，其拉伸强度达到了3144 MPa，模量达到了210 GPa，0°压缩强度为2048 MPa，如表7所示。然而，与IM7/8552复合材料相比，HM50/8522复合材料在90°拉伸强度和短梁强度上分别下降了20.3%和27.7%，且缺乏冲击后压缩数据。这表明，HM50/8522复合材料的界面性能较传统T800级复合材料逊色，但由于模量的提升，它仍可能展现出比T800级碳纤维复合材料更高的减重潜力，尽管具体应用尚未见相关报告。据报道，为了增大航程和载弹量，B-21隐形战略轰炸机采用了更高性能的复合材料结构，以替代B-2隐形战斗机中的金属结构部件，从而实现结构减重。这一趋势显示出新一代碳纤维复合材料在航空领域的广泛应用潜力。
2014年，日本东丽公司宣布成功研制T1000G碳纤维，其拉伸强度达到6600 MPa，随后在2017年更新为7000 MPa，拉伸模量为324 GPa。东丽公司最初将该碳纤维归为高强高模碳纤维类别，但随后调整为新一代高强中模碳纤维。同时，东丽还通过纳米技术优化了基体树脂的性能，开发出与T1000G碳纤维相匹配的树脂基体，形成了三种2574预浸料体系。其复合材料的性能数据如表8所示。东丽公司进一步与3940高温环氧树脂进行匹配，2017年宣称复合材料的拉伸强度和抗冲击性能比上一代产品提升了30%。随后，通过与新一代高温环氧树脂3960结合使用NanoAlloy技术，获得了优异的复合材料性能。与T800/3900-2预浸料相比，T1100G/3960预浸料刚度提升了20%以上，具体性能数据如表9所示。随着T1100G碳纤维进入批量生产，其在航空领域的应用研究成为热点。Shugo等的研究表明，T1100G碳纤维复合材料在机翼应用中，实现了相较T700S和T800S碳纤维复合材料的减重效果，分别为14%和9.9%。Spirit AeroSystems公司使用T1100G/3960预浸料集成制造了蒙皮和长桁，不仅成功减重，还实现了30%的成本节约，如图4所示。T1100G/3960预浸料已应用于多个武器系统的关键部件，还被用于Overair电动垂直起降飞机的机身和推进系统，如图5所示。2023年4月，东丽公司在官网发布了其采用T1100/2510单向和平纹预浸料制造主旋翼桨叶的消息。此外，东丽公司还研发了4000双马树脂体系，并完善了相关数据，形成了数据卡，如表10所示。然而，该体系的具体应用目前尚未有详细报告。
图4 在巴黎航空展上首次亮相的5.5m x 3.7m 的机身结构件实物图
图5 Overair电动垂直起降飞机应用T1100G/3960复合材料示意图
2018年，日本东丽公司宣布推出新型碳纤维M40X，其拉伸强度达到了5700 MPa，模量达到377 GPa。M40X碳纤维不仅在强度和模量方面取得了显著提升，同时还具备类似T800碳纤维的优良界面特性。通过匹配采用NanoAlloy技术的树脂基体，形成了高强高模复合材料，这种材料既具备高强度、高模量的特性，又具有更高的减重效率。目前，M40X碳纤维已在Canyon公司的Ultimate CFR自行车车架上得到了应用，如图6所示。然而，关于该碳纤维在航空航天领域的具体应用尚未有相关报道。这表明M40X碳纤维虽然在轻量化和强度方面具有巨大潜力，但其在航空航天领域的研究和应用仍处于起步阶段。
图6 Canyon公司自行车车架采用M40X碳纤维实物图
三、国内第三代聚丙烯腈基碳纤维发展现状
随着国内碳纤维研制能力的提升，多家单位已开始试制强度更高、模量更大的碳纤维。在相关部委的支持下，这些单位着手规划并推进新一代碳纤维的研制。威海拓展、中简科技、长胜科技、江苏恒神、山西钢科等公司已公开宣布成功研发出第三代碳纤维，基本突破了T1100级和M40X级碳纤维的制备关键技术。其主要性能接近东丽碳纤维的水准，但尚未形成规模化生产，且在线密度、强度、模量等整体性能上仍存在一定差距，稳定性还需进一步验证。其中，江苏恒神在2022年法国JEC展会上推出了T1100级和M40X级高性能碳纤维产品。具体性能指标显示，HF60（T1100级）碳纤维的拉伸强度为7000 MPa，拉伸模量为320 GPa；HM50E（M40X级）碳纤维的拉伸强度为5700 MPa，拉伸模量为380 GPa。针对第三代碳纤维，国内相关单位也在积极研发与之匹配的高性能树脂体系，并进行复合材料性能验证，以期进一步提高结构效率。这些材料未来有望应用于新一代航空航天及民用领域。然而，国内在第三代碳纤维的研发过程中仍面临几个关键问题：1. 损伤阻抗与损伤容限平衡：随着强度和模量的提升，碳纤维复合材料的损伤容限是否满足航空结构对目视可见冲击损伤的应用要求仍需进一步验证。2. 表面惰性问题：碳纤维在模量提升后，其表面惰性问题加剧，因此需要开发新的表面处理技术和上浆剂，以优化碳纤维、上浆剂与树脂的界面匹配。3. 性能与成本的平衡：高性能碳纤维的制造往往伴随高能耗，如何在保障性能的同时降低生产成本，是行业面临的主要挑战。总体而言，国外第三代碳纤维，尤其是T1100级碳纤维，已成为可供应市场的产品，并与中温树脂、高温环氧树脂及双马树脂等进行匹配，获取了较为完善的复合材料性能数据，部分应用已通过复合材料构件验证，广泛应用于军民领域，展现出良好的减重与性能提升潜力。为此，中国应借鉴国外的研究成果、设计理念和应用经验，尽快推动国产第三代聚丙烯腈基碳纤维的研制与稳定生产。同时，相关上浆剂与高性能树脂的研发，以及复合材料应用的研究也应同步展开，以构建国内第三代碳纤维及其复合材料体系，进一步提升我国在先进复合材料领域的技术水平。文献来源：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.