作為復(fù)合材料重要的增強(qiáng)體，高模量碳纖維因?yàn)槠鋬?yōu)異的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天等高科技領(lǐng)域。

高模量碳纖維是指彈性模量超過350 GPa的高性能碳纖維。長(zhǎng)期以來，國(guó)外的高模量碳纖維處于領(lǐng)先地位，近年來我國(guó)在高模量碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，與世界頂級(jí)水平的差距正在不斷地減少。

航天器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要以剛度為主，在滿足運(yùn)載載荷、空間環(huán)境等條件的情況下，航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以提高主結(jié)構(gòu)剛度、太陽翼框架剛度、天線桁架剛度等為設(shè)計(jì)目標(biāo)。所以，在考慮滿足成型工藝、纖維與基體界面性能等基礎(chǔ)上，PAN基碳纖維在衛(wèi)星制造領(lǐng)域以高模量牌號(hào)為主要選型依據(jù)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)減重的目的。因此，特征模量達(dá)到500 GPa以上的PAN基高模量碳纖維仍將是未來衛(wèi)星制造用高性能碳纖維產(chǎn)品的主要發(fā)展方向。

PAN基高模量碳纖維復(fù)合材料具有比剛度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐燒蝕性強(qiáng)及可整體設(shè)計(jì)等優(yōu)異特性，是現(xiàn)有和未來衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)、功能結(jié)構(gòu)、防護(hù)結(jié)構(gòu)和輔助結(jié)構(gòu)上不可替代的關(guān)鍵材料。

目前，碳纖維材料已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各類衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外幾種典型的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，如承力筒、結(jié)構(gòu)板等主承力結(jié)構(gòu)，光學(xué)平臺(tái)、高精度桁架等尺寸穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，以及對(duì)地觀測(cè)相機(jī)鏡筒、天線反射面等衛(wèi)星載荷結(jié)構(gòu)。

目前國(guó)外已經(jīng)商品化的PAN基高模量碳纖維產(chǎn)品中最高模量為日本東麗M60J纖維的588GPa。雖然日本東麗公司已經(jīng)突破M65J級(jí)碳纖維制備技術(shù)，但同樣屬于小試產(chǎn)品，未真正形成大規(guī)模生產(chǎn)，因此產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)尚不明確；此外，日本帝人公司（原東邦）UM68纖維拉伸模量650GPa（強(qiáng)度3.33GPa）同樣屬于小試產(chǎn)品，未實(shí)現(xiàn)商品化。

在國(guó)外最新技術(shù)進(jìn)展領(lǐng)域，隨著近年來中國(guó)在高性能碳纖維領(lǐng)域技術(shù)突破，國(guó)外碳纖維企業(yè)如日本東麗、美國(guó)Hexcel等公司不斷加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，先后實(shí)現(xiàn)了M40X（拉伸強(qiáng)度5700 MPa、拉伸模量377 GPa，2018年11月技術(shù)突破、尚未商品化）、HexTow? HM50（拉伸強(qiáng)度5723 MPa、拉伸模量345 GPa，2019年商品化）、HexTow? HM54（拉伸強(qiáng)度4826 MPa、拉伸模量372 GPa，2020年商品化）等PAN基高模量碳纖維關(guān)鍵技術(shù)。

中科院寧波材料所自2014年開展PAN基高模量碳纖維的國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，2016年1月、2018年3月分別在國(guó)內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)CNI QM55（M55J級(jí)）、CNI QM60（M60J級(jí)）高模量碳纖維關(guān)鍵技術(shù)突破；2020年6月成功研發(fā)了拉伸模量630GPa以上的CNI QM65（M65J級(jí)）高強(qiáng)高模碳纖維，標(biāo)志著在高強(qiáng)高模碳纖維制備技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)已經(jīng)由長(zhǎng)期跟跑實(shí)現(xiàn)了并跑，寧波材料所國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)高模碳纖維領(lǐng)先的制備技術(shù)將進(jìn)一步帶動(dòng)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

為了更好地了解國(guó)內(nèi)外PAN基高模量碳纖維的最新技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，2021年11月18-20日在上海舉行的“Carbontech第六屆碳纖維復(fù)合材料論壇” 特邀 中科院寧波材料所高級(jí)工程師錢鑫蒞臨本次大會(huì)，分享《國(guó)內(nèi)外PAN基高模量碳纖維的最新技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展》主題報(bào)告。

本報(bào)告概述了國(guó)外在PAN基高模量碳纖維領(lǐng)域的發(fā)展歷程以及近幾年的最新進(jìn)展，分析了國(guó)內(nèi)在PAN基高模量碳纖維領(lǐng)域的技術(shù)現(xiàn)狀，并針對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)在突破國(guó)產(chǎn)M55J級(jí)高模量碳纖維技術(shù)基礎(chǔ)上開展的系列基礎(chǔ)研究工作進(jìn)行了綜述。對(duì)國(guó)內(nèi)高模量碳纖維領(lǐng)域存在的主要問題進(jìn)行了總結(jié)。

錢鑫，博士，中科院寧波材料所高級(jí)工程師、碩士生導(dǎo)師，“碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)”微信公眾號(hào)主編。長(zhǎng)期從事高性能碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域相關(guān)研究工作，作為團(tuán)隊(duì)核心骨干先后參與了T800級(jí)及以上中模碳纖維、M50J/M55J級(jí)及以上高模碳纖維以及M40X型新型高模碳纖維的國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，在成果方面以第一作者及通訊作者在Compos. Part B、Compos. Part A、Appl. Surf. Sci.、J. Raman Spectrosc、J. Reinf. Plast. Compos.、無機(jī)材料學(xué)報(bào)、材料工程等國(guó)內(nèi)外核心期刊及會(huì)議發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇；申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明及實(shí)用新型專利近30項(xiàng)；參與編寫《碳纖維復(fù)合材料輕量化技術(shù)》專著1部；參與并主持多項(xiàng)國(guó)家、省部級(jí)項(xiàng)目，主持在研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)300余萬元。