高模量碳纖維又稱石墨纖維，是一種(zhǒng)含碳量99%以上高性能(néng)碳纖維，高模量碳纖維是一種(zhǒng)性能(néng)獨特的軍民兩(liǎng)用工業材料。高強高模碳纖維具有高比模量、熱膨脹系數小、尺寸穩定等優點，是衛星和航天器主體結構、功能(néng)結構和防護結構等不可替代的關鍵材料。目前高模碳纖維廣泛應用于航空航天、體育器材、民用高端産品等先進(jìn)複合材料的增強，其中航空航天占據高模碳纖維市場份額的50%左右，高模碳纖維是各級主次結構的核心關鍵材料，也是未來航天材料發(fā)展的重點。
傳統的高強型碳纖維，具有高拉伸強度和高斷裂延伸率特征，但抵抗變形能(néng)力較弱；而高模型碳纖維則具有高拉伸模量，但強度和斷裂延伸率（0.7%～1.2%）較低。高強高模高韌性碳纖維，兼顧前兩(liǎng)類碳纖維的優勢特點，要求具有高拉伸強度、高拉伸模量和高斷裂延伸率（≥1.5%）的特點，滿足高模量碳纖維應用工藝性、提高碳纖維性能(néng)利用率、提升複合材料拉伸性能(néng)的綜合要求。
美國(guó)佐治亞理工學(xué)院于2015年首次研制出高強高模高韌碳纖維。作爲碳纖維行業的龍頭企業，東麗于2018年報道(dào)了M40X産品，其強度達5.7 GPa，模量377 GPa，斷裂伸長(cháng)率1.51%。國(guó)外新型碳纖維的發(fā)展，不再一味追求超高拉伸強度，而是朝高強度、高模量、高延伸率“三高”方向(xiàng)發(fā)展，走向(xiàng)與應用目标相契合的方向(xiàng)。
高強高模M40X等級碳纖維能(néng)夠滿足未來國(guó)防及高端裝備領域對(duì)碳纖維複合材料性能(néng)均衡化的要求。目前國(guó)内尚無該纖維成(chéng)熟競品，國(guó)外主要競品爲東麗M40X，但目前并未大批量銷售，因此研制該款碳纖維對(duì)實現高性能(néng)碳纖維自主可控，縮短碳纖維技術與日本等發(fā)達國(guó)家的差距，爲下一代複合材料發(fā)展奠定技術基礎等均具有極其重要的戰略意義。
項目開(kāi)發(fā)了連續長(cháng)周期聚合及高分子量、窄分布聚丙烯腈紡絲原液制備技術；研發(fā)出高溫高濃凝固成(chéng)型技術；研制出聚丙烯腈纖維預氧化碳化結構調控與納米缺陷控制技術。結合複合式電化學(xué)表面(miàn)處理工藝，研制出完整的超高強高模碳纖維工程化技術。
四、項目完成(chéng)單位簡介
五、甯波材料所高性能(néng)碳纖維進(jìn)展
團隊建有PAN基碳纖維及其配套原絲中試線，具有PAN基碳纖維的噸級研發(fā)與百噸級工程化技術支撐能(néng)力，并形成(chéng)了自主知識産權體系。在高強中模碳纖維研究領域，在國(guó)内率先完成(chéng)了高性能(néng)T800級碳纖維中試制備技術突破和百噸級工程化放大。在高強高模碳纖維領域，在國(guó)内率先實現國(guó)産M50J、M55J、M60J以及M65J級系列化碳纖維制備技術突破，制備的高模量碳纖維産品拉伸模量範圍可從350GPa到640GPa。2021年9月，團隊承擔的“高模高強碳纖維（CNI QM55級）國(guó)産化關鍵技術研發(fā)及在臨近空間無人機中央翼主梁中的應用”項目通過(guò)成(chéng)果鑒定（更多内容延伸閱讀原文）。
在兼具高強度、高模量、高斷裂延伸的新一代碳纖維領域，團隊于2015年便開(kāi)始布局研發(fā)工作。2017年在承擔相關項目基礎上，加快了新型高強高模碳纖維的批量制備工作，2019年7月實現拉伸強度5700-5900MPa、拉伸模量320-340GPa規格M30X型超高強高模碳纖維的批量穩定制備，在線抽樣(yàng)檢測纖維強度6023GPa、模量321GPa。
2019年10月團隊實現拉伸強度5500-5700MPa，拉伸模量360-380GPa規格M40X型新型高強高模碳纖維的批量穩定制備，在線抽樣(yàng)檢測纖維強度5625GPa、模量377GPa，關于更多産品特性可延伸閱讀《甯波材料所國(guó)産高性能(néng)碳纖維技術現狀與主要産品》（閱讀原文）。在2022年公布的一項最新專利技術中，團隊已經(jīng)成(chéng)功制備得到拉伸強度≥5000MPa、拉伸模量≥540GPa的M55X型高強高模高延伸碳纖維（專利申請号CN202210403315.5）。
在本項目中，中國(guó)科學(xué)院甯波材料所科研團隊主要開(kāi)展了高溫石墨化環境中纖維内部微觀結構演變機制研究，明确了基于高強度、高模量、高斷裂延伸特性下纖維内部的石墨微晶特征結構，從而爲工程化工藝的調控與優化提供一定的指導。