聚丙烯腈（PAN）基高模量碳纖維是指拉伸模量超過350GPa、含碳量在99%以上的一類高性能碳纖維，它具有彈性模量高、熱膨脹系數小、尺寸穩定等優異性能。PAN基高模量碳纖維增強復合材料可在溫度交變環境中實現零膨脹，因此成為航天飛行器、深空探測等領域的重要原材料。目前在軌、在研和論證中的宇航結構產品廣泛使用了PAN基高模量碳纖維，它已成為各級主次結構的核心關鍵材料，也是未來航天材料發展的重點。

　　PAN基高模量碳纖維是在中模量碳纖維基礎上經過進一步高溫石墨化制備得到，石墨化過程所需溫度高可達3000℃，具有基礎研發難度大、核心技術壁壘高等特點。長期以來，PAN基高模量碳纖維關鍵制備技術一直被國外少數碳纖維生產企業所壟斷。近年來尤其是近5年來，以日本東麗、美國Hexcel 為代表的國外企業在PAN基高模量碳纖維領域不斷取得技術突破，引領著該領域技術的創新發展。

　　
2日本東麗高模量碳纖維

　　日本東麗公司作為PAN基碳纖維制造商，在高模量碳纖維領域一直處于地位。1971年東麗公司在研制出T300級碳纖維基礎上，經過進一步石墨化處理制備了拉伸強度2100 MPa、拉伸模量400 GPa的M40型高模量碳纖維，隨后經過了10余年發展，M40型高模量碳纖維性能逐漸穩定在拉伸強度2740 MPa、拉伸模量392 GPa，隨后公司又研發出了拉伸強度2450 MPa、拉伸模量490 GPa的M50型高模量碳纖維。

　　1980年代中期，為了適應飛機結構件強度、模量并重的需求，東麗公司開發了高強高模“MJ”系列碳纖維產品，形成了以M40J、M55J、M60J為代表的系列產品，相比于M40、M50型產品，MJ系列高模量碳纖維的拉伸強度得到優化提升，而其頂級商品之一的M60J級高模量碳纖維拉伸模量更是高達588 GPa。隨后二十年里，東麗公司MJ系列碳纖維形成穩定化生產，并在航空航天、深空探測等領域獲得廣泛應用。

　　近年來，東麗公司不斷加強基礎研究并取得了一定的技術突破。2014年3月，在傳統PAN溶液紡絲工藝基礎上，公司通過對碳化過程精細化控制實現了纖維微結構如石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等納米尺度的改善，成功開發出拉伸強度6600 MPa、拉伸模量324 GPa的T1100G碳纖維；2017年公司成功實現了T1100G產品的商業化生產，并將碳纖維拉伸強度優化提升至7000MPa，拉伸模量仍為324 GPa。該型產品研制成功的重要意義體現于它在中模量級碳纖維基礎上同時實現了拉伸強度和拉伸模量的提升，比如與T800S級碳纖維相比，T1100G碳纖維拉伸強度與拉伸模量分別提升了19%、10%，這為后續研發具有高強度、高伸長特性的PAN基高模量碳纖維奠定了基礎。

 

　　2018年11月，東麗公司又成功開發出拉伸強度5700 MPa、拉伸模量377 GPa的M40X新型PAN基高模量碳纖維。之所以將其稱為新型高模量碳纖維，是因為該款碳纖維的拉伸強度達到了傳統高模量碳纖維前所未有的新高度，特別是鑒于其顯著的高強度優勢，使得纖維斷裂伸長率達到1.5%，從而同時具備了高強度、高模量和高伸長的特點。而M40X新型高模量碳纖維與目前廣泛使用的M40J級高模量碳纖維相比，兩者拉伸模量相同，但前者拉伸強度卻比后者提高了29%。因而，日本東麗M40X新型高模量碳纖維的研發成功解決了長期以來碳纖維高強度、高模量和高伸長難以共存的難題。

 

　　2020年5月，東麗公司在PAN基高模量碳纖維領域再度取得新進展，開發出拉伸強度4800 MPa、拉伸模量390 GPa的高模量碳纖維。根據公司介紹，該款高模量碳纖維產品未來主要應用領域為輕型汽車零件以及工業領域。而與目前東麗公司工業領域應用為廣泛的T700碳纖維相比，雖然該款碳纖維拉伸強度略有降低，但纖維拉伸模量提升了70%。在推出該新款高模量碳纖維的同時，東麗公司也配套研發出用于該型碳纖維注塑成型加工的熱塑性顆粒，通過使用這些顆粒能有效地生產出具有輕量化優勢和復雜結構的高剛性零件，在降低對環境影響的同時，可以大大提高成本效益。

 

3美國科研機構及Hexcel高模量碳纖維

　　除日本以外，美國部分科研機構和企業也在積極探索具有高強度、高伸長特性的PAN基高模量碳纖維關鍵技術研發。2015年5月，美國佐治亞理工學院采用凝膠工藝獲得PAN共聚物，隨后在連續碳化生產線上制備得到拉伸強度5500-5800 MPa，拉伸模量354-375 GPa的PAN基高模量碳纖維；該款纖維高強度、高模量的組合使得PAN基高模量碳纖維的力學性能達到了新的高度。

　　2019年3月，美國Hexcel公司在巴黎復合材料展覽會上推出了商品化的HexTow? HM50型高模量碳纖維，該型碳纖維的拉伸強度5723 MPa、拉伸模量345 GPa，斷裂伸長率也達到了1.5%。2020年初，在Hexcel公司新版產品目錄又新增了一款HexTow? HM54型高模量碳纖維，拉伸強度4826 MPa、拉伸模量372 GPa。HM54型高模量碳纖維與日本東麗M40J級碳纖維的模量相接近，但拉伸強度提高了9%，斷裂伸長率也提高到1.3%。同年8月，Hexcel公司對外宣布HexTow?HM54型高模量碳纖維被知名高爾夫球桿生產商True Temperate Sports選定來生產其新的產品HZRDUS Smoke Black RDX。

 

近年來國外在PAN基高模量碳纖維領域的研究重心主要是解決碳纖維高強度和高模量的性能匹配問題，通過多年的技術優勢積累，日本東麗、美國Hexcel分別成功研發出M40X型、HM50型、HM54型等新型高模量碳纖維，這些兼具高強度、高模量、高伸長特性的新一代PAN基高模量碳纖維有望成為未來PAN基高模量碳纖維領域發展的重點方向，而隨著纖維力學性能的不斷優化提升，PAN基高模量碳纖維的斷裂伸長率將可能實現進一步提高。