高強高模碳纖維（又稱石墨纖維）是我國新材料領域重點發展的一類材料，其關鍵制備技術一直以來被國外掌控。近日，中科院寧波材料所在石墨纖維關鍵制備技術方面取得重要進展，實現國產M60J石墨纖維關鍵制備技術突破。
中科院寧波材料所特種纖維事業部團隊負責人宋書林研究員告訴記者：“我們已經掌握結構與性能關聯性規律，并建立國產石墨纖維樹脂基復合材料的應用評價體系，為碳纖維工程化制備和復合材料應用提供堅實的理論和實踐基礎，國產石墨纖維實現連續穩產。”
石墨纖維有何不同
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。碳纖維“外柔內剛”，質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，在國防軍工和民用方面都是重要材料。
碳纖維按力學性能分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強度為1000兆帕、模量為100GPa（1GPa=1000兆帕）左右。高性能型碳纖維又分為高強型（強度2000兆帕、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。
隨著航天和航空工業的發展，還出現了高強高模碳纖維，其中應用最廣的是聚丙烯腈基碳纖維（PANCF）。PANCF按照性能可分為高強中模和高強高模等類型。其中，國內高強中模型碳纖維拉伸強度最高可達6.5GPa，模量在300GPa左右。
寧波材料所特種纖維事業部技術負責人張永剛指出，他們制備得到的M60J石墨纖維拉伸強度為5.24GPa、拉伸模量為593GPa。“從數據上看，石墨纖維拉伸模量遠高于高強中模碳纖維，強度略有損失。”
這里的石墨纖維含碳量高達99%以上，具有更高的模量，且熱膨脹系數低、導電性高、熱穩定性好、尺寸穩定，在宇宙飛行器及航空航天等領域可作為關鍵材料。
突破關鍵制備技術
碳纖維制備是一個系統工程，包含一系列復雜的物理化學反應。由于部分反應的機理還未研究透徹，以及相關反應所需要設備的限制，均增加了碳纖維制備的難度。
國際上的碳纖維市場競爭并不充分，大部分的份額被日本和美國等國家的少數公司壟斷著，這也導致碳纖維制品的售價較高。
多年來，國外掌握的石墨纖維關鍵制備技術對我國嚴格封鎖。這一局面隨著國內碳纖維制備技術的逐步提升有所改善，相關科研單位正在提高關鍵裝備的成熟度，為制備石墨纖維提供了理論和裝備基礎。
石墨纖維是在纖維高溫碳化后，經過進一步石墨化制備得到，石墨化程度非常高。張永剛告訴記者：“石墨化技術是制備石墨纖維的關鍵，主要包括裝備制造關鍵技術和碳纖維全流程制備技術。”
當前已知理論認為，石墨化溫度越高，碳纖維拉伸模量也越高，因此首先需要能夠提供足夠高溫度的石墨化裝置。通常，在2200℃以上纖維的石墨化程度逐步提高，溫度進一步提升，纖維石墨化結構進一步完善，理想狀態是，石墨化溫度達到3000℃。
張永剛也指出其中的難點是，限于材料耐溫性能和裝備加工水平，很難獲得滿足要求的石墨化裝備。
為了突破高等級石墨纖維，必須從結構與性能關聯性研究出發。寧波材料所特種纖維事業部通過采取精細結構調控，嚴格把控工藝條件，優化纖維石墨化結構，提升纖維宏觀性能。
經努力攻關，團隊在較低石墨化溫度下，獲得了石墨纖維M55J和M60J的性能突破。此外，石墨化溫度的降低，有效延長了石墨化裝備的壽命，實現了性能與成本的匹配。
穩定技術規模生產
近年來，寧波材料所先后突破了高強中模碳纖維中試及工程化技術，2015年5月，特種纖維事業部制備得到M50J石墨纖維，拉伸強度及拉伸模量分別高達5.12GPa、475GPa。
2016年1月，寧波材料所在國內率先實現了國產M55J制備技術重大突破，同年9月進行了制備技術驗證，并獲得拉伸強度4.15GPa、拉伸模量585GPa的石墨纖維，后續進一步實現了國產M55J石墨纖維連續穩定生產。
隨后，寧波材料所特種纖維事業部針對國產石墨纖維工藝分析、結構研究、性能優化開展了詳細研究，尤其是重點開展高溫石墨化環境中碳纖維拉伸強度保留率研究工作，制備出國產M60J石墨纖維。
張永剛指出，與日本東麗M60J石墨纖維（拉伸強度3.92GPa、拉伸模量588GPa）相比，我們制備的國產M60J（拉伸強度5.24GPa、拉伸模量593GPa）繼續保持了拉伸強度上的優勢。
當前，國產石墨纖維發展迅速，寧波材料所、北京化工大學等科研單位先后突破了國產M55J石墨纖維制備技術，國內部分企業正在開展M55J工程化技術攻關。
寧波材料所國產M60J石墨纖維關鍵制備技術的突破，將進一步促進國內在石墨纖維領域的技術發展。目前國內石墨纖維行業發展尚不成熟，多以軍工項目為主，民用方面還有待進一步探索。
張永剛表示：“石墨纖維的潛在應用領域非常廣泛，我們將在實現制備技術穩定及形成生產規模的基礎上逐步去拓展。”
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