T1000 级碳纤维及其复合材料研究与应用进展.pdf

摘要

本文介绍了T1000级碳纤维的发展历程，综述了T1000级碳纤维及其复合材料的研究及

应用情况，指出了国产T1000级碳纤维应用研究需要关注的问题。

1引言

碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点

的纤维材料。最早可追溯至18世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚

丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧

洲发达国家和地区掌控。

T1000级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。高性

能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于

先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。目前国外已经大量使用T1000级

碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合

材料的应用研究迫在眉睫。

碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚

合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。根据缺陷

理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证

碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数

之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得

高性能碳纤维，尤其是T1000级碳纤维的研制有很大困难。

T1000级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研

究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。由于T1000级碳纤维本身的高性

能、价格昂贵等原因，且国产T1000级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实

际应用方面主要介绍国外T1000级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。

2T1000级碳纤维性能研究现状

1962年正式开展PAN基碳纤维的研制，1986年研制出T1000G碳纤维。

2014年3月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出

T1100G碳纤维，2017年6月强度由6600MPa更新至7000MPa，目

前东丽已完成了T1200碳纤维的量产。

自2013年起国际上的其他碳纤维企业，为了提高竞争力以及面对航空航天领域对

于碳纤维和复合材料的高性能需求，相继推出了更高强度的碳纤维。美国IM10、

三菱的MR70、东邦的XMS32，都是拉伸强度约7GPa、模量约320GPa的

超高强度碳纤维。中国的碳纤维研究基本与日本同步，但由于当时科研水平落后，国

防军工用碳纤维几乎全部依赖进口。

我国T1000碳纤维研究最先在2014年由江苏航科突破关键技术，完成50t/a

产量；2019年中复神鹰超高强度碳纤维百吨级工程化关键技术顺利通过并开始生

产。同年中科院山西煤炭化学研究所T1000级超强碳纤维验收。另外山东威海拓

展、江苏恒神等也开始国产T1000级碳纤维的研究和生产。

2.1T1000级碳纤维基本性能

国内外高强中模T1000级碳纤维性能如表1，其中T系列为东丽公司产品；IM

系列为美国赫氏公司产品；SYT55、HF50S分别为中复神鹰、江苏恒神T1000

级碳纤维产品牌号。由表可以看出国产T1000级碳纤维力学性能与国际先进水平

相当。

由于国外碳纤维技术对中国的封锁，美国的IM系列碳纤维的性能及应用少有报道，