在該項專利技術中，首先，通過將丙烯腈和共聚單體溶液聚合得到紡絲原液；然后，采用濕法紡絲，將紡絲原液經凝固、水洗、熱水牽伸、上油、干燥后，再經蒸汽牽伸和熱定型得到沸水收縮率為5.0?6.8％、斷裂伸長率為9.5?11.0％、拉伸強度為4.7?5.9cN/dtex的前驅體纖維；最后，將前驅體纖維經預氧化、低溫碳化、高溫碳化和超高溫石墨化制備得到拉伸強度≥5.00GPa、拉伸模量≥540GPa、斷裂伸長率≥0.90％的碳纖維。

 

M55X型高強高模高延伸碳纖維

高強高模碳纖維（又稱“石墨纖維”）具有高比模量、熱膨脹系數小、尺寸穩定等系列優點，是衛星和航天器的主體結構、功能結構和防護結構等不可替代的關鍵材料。而M55J級高強高模碳纖維拉伸模量更是高達540GPa，此前日本東麗、日本帝人是全球僅有的兩家可以提供該級別碳纖維的企業，但帝人公司在2020年對其產品進行了調整，帝人不再提供UMS 55（模量540GPa，與東麗M55J相同），從而使得日本東麗公司成為全球唯一一家可提供模量540GPa及以上PAN基碳纖維產品的企業。

2016年1月，中國科學院寧波材料所碳纖維及其復合材料團隊（以下簡稱“寧波材料所碳纖維團隊”）在國內率先突破國產M55J級高強高模碳纖維關鍵制備技術，隨后經過技術驗證、批量穩定化制備、預浸工藝評價等，逐漸形成了自主牌號CNIQM55(M55J級）高強高模碳纖維產品，該型碳纖維在拉伸模量與國外同類型纖維相同的情況下，拉伸強度達到4.30GPa、略高于國外同類產品的4.02GPa。隨后CNIQM55碳纖維實現了臨近空間無人機中的應用。

 

傳統M55J級高強高模碳纖維雖然具有極高模量，但因纖維強度和斷裂延伸較低而呈高脆性。而此次開發的M55X型碳纖維系寧波材料所碳纖維團隊在CNIQM55基礎上，通過對纖維微觀結構與宏觀性能的進一步優化實現的。上述圖片對比了日本東麗M55J、寧波材料所CNIQM55以及寧波材料所M55X型碳纖維的主體力學性能，從中不難發現，M55X型碳纖維在保持拉伸模量540GPa相同的情況下，碳纖維拉伸強度首次突破5.0GPa，與日本東麗M55J碳纖維相比，碳纖維拉伸強度提升了近1000MPa（1GPa），有利于纖維韌性和后續工藝性的提升。

兼具高強度高模量的MX型碳纖維成為第三代碳纖維主流趨勢

日本東麗公司根據旗下碳纖維產品的發展歷史、產品類別和絲束規格，進行了三代碳纖維產品的劃分（如下圖所示），其中近年來公司于2014年、2018年先后開發的兼具高強度、高模量的T1100和M40X型碳纖維被命名為第三代碳纖維，關于碳纖維劃分更多內容可以延伸閱讀原文。

 

日本東麗三代碳纖維發展歷程

作為日本東麗公司第三代碳纖維中的超高強度、高彈性模量MX系列產品，最新的一款莫過于2024年1月新近推出的拉伸強度5.0GPa、拉伸模量437GPa的M46X型碳纖維，該款碳纖維與東麗公司2018年11月推出的M40X型碳纖維一樣，同時保持了高拉伸強度和高拉伸模量。如果將日本東麗最新款M46X碳纖維與寧波材料所M55X型碳纖維相比，寧波材料所M55X型碳纖維的拉伸模量要高出100余GPa。

 

日本東麗第三代最新款M46X碳纖維產品

與此同時，還有一個值得關注的焦點在于：在此次公布的最新數據中，日本東麗公司的M40X型碳纖維力學性能指標有所調整，眾所周知，根據此前東麗公司發布的M40X碳纖維的性能指標為拉伸強度5.7GPa、拉伸模量377GPa，但是在今年1月發布M46X型碳纖維時，將M40X碳纖維的拉伸強度從5.7GPa下調至5.5GPa（如下表所示）。

 

致力于技術原始創新，引領國產高性能碳纖維發展

在兼具高強度、高模量、高斷裂延伸的第三代MX型碳纖維領域，寧波材料所碳纖維團隊于2015年便開始布局研發工作。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，在線抽樣檢測纖維強度6023MPa、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型高強高模高延伸碳纖維的批量穩定制備，在線抽樣檢測纖維強度5625MPa、模量377GPa。在2022年公布的一項專利技術中，團隊已經成功制備得到拉伸強度≥5.0GPa、拉伸模量≥540GPa的M55X型高強高模高延伸碳纖維（即此次獲得授權的專利）。

 

寧波材料所M30X、M40X、M50X及M55X型碳纖維檢測報告

截至目前，在第三代高強高模高延伸碳纖維領域，寧波材料所碳纖維團隊已經形成涵蓋M30X、M40X、M50X以及M55X型碳纖維關鍵制備技術（相關產品已通過國內專業機構測試，如上圖所示），而在2023年7月最新申請的一項專利技術（一種高強度超高模量的聚丙烯腈基碳纖維及其制備方法，申請號：202310880791.0）中已經可以制備得到拉伸強度4.0GPa、拉伸模量640GPa的尚未命名型號的超高模量碳纖維。