碳纖維向航空工業的“浸潤”
碳纖維的迭代
碳纖維是構成復合材料的關鍵原材料，承擔著復合材料結構件的大部分載荷，其拉伸強度和彈性模量的雙重提升是復合材料結構性能提升的關鍵途徑，也是目前新型碳纖維材料研發的重要方向。
第一代碳纖維以20世紀60年代東麗公司生產的通用型T300級碳纖維和赫氏公司生產的AS4低模量低強度碳纖維為代表。1971年，東麗公司建立了12噸碳纖維生產能力并開始生產Torayca®300，產品最初主要用于運動和休閑領域。石油危機的出現導致航空領域迫切需要降低機身重量以減少燃料消耗。波音和空客等飛機制造商提出將碳纖維增強復合材料用于飛機結構制造，但主要應用于不影響飛行安全的次承力結構。1980年，波音提出了商用飛機制造對碳纖維的要求，波音737飛機的擾流板和波音727飛機的方向舵首次實現了T300級復合材料的裝機應用，并頒布了BMS相關材料標準。
第二代碳纖維以20世紀80年代東麗公司的T800級碳纖維和赫氏公司IM7的標模量高強碳纖維系列為代表。1981年，波音公司提出高強度、大伸長率碳纖維的需求，促進了高性能碳纖維的研發步伐。1984年，日本東麗公司率先研制成功T800級碳纖維；1986年，T1000級碳纖維研制成功；隨后，日本東邦、三菱人造絲公司和美國赫氏公司相繼研制出同類高性能碳纖維，為制造大型客機提供了新型復合材料。目前波音787和空客A350等主流機型的主承力結構廣泛應用的是第二代碳纖維復合材料，即標模高強復合材料產品。
第二代的T800級碳纖維相比于第一代T300級碳纖維材料強度提高了68%、模量提高了28%，被應用在波音787的機身蒙皮、框、長桁和機翼前后梁等主要結構件中，使得每架飛機復合材料用量達35噸左右，東麗公司也成為波音787飛機主結構復合材料的獨家供應商。日本航空共同開發促進基金財團法人在《碳纖維作為材料的應用動向》中明確指出：“波音787把外翼、中央翼、機身等關鍵部位更換成了碳纖維復合材料部件，使用量達到全部重量的50%以上，實現了20%輕量化。”第二代碳纖維在主承力結構大量應用，確立了復合材料在飛機結構應用上的重要地位。
2014年3月，東麗宣布研制成功T1100級高性能碳纖維，標志著新一代的模量和強度雙高的高性能碳纖維材料問世。東麗利用傳統的PAN溶液紡絲技術，精細控制碳化過程，采用先進的納米技術，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，從而使強度和模量都得到大幅提升。T1100G碳纖維的拉伸強度為6.6GPa，比T800級碳纖維提高了12%；模量為324GPa，比T800級材料提高了10%。2017年6月其強度又由6.6GPa更新至7GPa。繼東麗之后，達到T1100級別產品量產的企業只有日本三菱麗陽的T1100和美國赫氏的HexTowIM10。但IM10的拉伸強度為6895MPa，彈性模量為314GPa，尚不及東麗的T1100。
國內的突破
我國碳纖維行業起步于20世紀60年代，幾乎和日美等國家同時起步，但由于存在相關知識儲備不足、知識產權歸屬不明等問題，發展緩慢。同時，日本、美國等國家對碳纖維核心技術形成壟斷，我國碳纖維生產技術和裝備水平整體落后于國外。但近年來伴隨著國家政策的大力扶持，國內高性能碳纖維制備與應用技術取得了重大突破，基本掌握了高性能碳纖維研制和生產的核心技術，產品質量不斷提高。但也存在不足之處：一是，T300/T700/T800級碳纖維的規?；?、穩定化、成本控制水平與國際水平相比仍有較大差距；二是，高性能T1000/T1100級碳纖維的相關研發和生產仍處于對標國際先進水平跟跑狀態。
目前，國內具備高性能碳纖維復合材料生產能力的企業包括光威復材、江蘇恒神、中復神鷹、中簡科技等。光威復材在2005年生產的GQ3522碳纖維突破T300級碳纖維工程化關鍵技術，在2013年生產的QM4035級碳纖維指標達到M40J水平。江蘇恒神主要生產高性能碳纖維有HF20系列、HF30系列、HF40系列、HF50系列及高強高模HM系列。中復神鷹主要的產品型號以T300和T700（對標日本東麗）為主，產品主要包括SYT45、SYT45S、SYT49S、SYT55S、SYT65和SYM40等。
在T1000和T1100級碳纖維研制方面，目前國內開展相關研究的單位有光威復材、中科院山西煤化所、山東大學、長盛科技、中復神鷹、江蘇恒神等，多采用干噴濕紡原絲技術路線，實現碳纖維強度和模量的雙提升。
我國T1000級碳纖維研究最先在2014年由江蘇航科突破關鍵技術。2019年，中復神鷹超高強度碳纖維百噸級工程化關鍵技術順利通過驗證并開始生產。同年，中科院山西煤炭化學研究所T1000級超強碳纖維驗收。另外，山東威海拓展、江蘇恒神等也實現了國產T1000級碳纖維的研究和生產。
2021年，中復神鷹取得T1100聚合關鍵技術突破，聚合物分子量和聚合液性能達到目標，并開發出了干噴濕紡T1100級碳纖維關鍵制備技術。2022年至2023年，實現百噸級生產線試車生產。光威復材也于2021年在T1100G級產品方面實現關鍵技術突破。恒神公司在2022年的復合材料工業技術展會上，展示了新一代高性能碳纖維HF60-12K（T1100級）和高強高模碳纖維HM55-6K（M55J級）等產品。2022年，華陽集團與中科院山西煤化所聯手建設千噸級高性能碳纖維產線及其下游復合材料產業，包括千噸級T1000、百噸級T1100等。
向低成本進軍
在民用飛機領域，結構輕量化一直是民機設計追求的目標之一，而大型客機保持市場競爭力的手段之一就是采用性能更好的材料來提高結構效率，達到結構減重和降低成本的目標。例如，波音787飛機的機身和機翼主要結構件全部采用碳纖維復合材料，空客A380采用碳纖維復合材料生產中央翼盒、機尾組件以及壓艙壁等。在通用航空領域，賽斯納TT整個機身，賽斯納Cessna350的翼梁、機身梁、水平安定面、操縱面，西銳CirrusSR22飛機主承力結構梁等部件均由碳纖維復合材料制造，美國比奇公司PremierI是第一架通過FAA認證的全復合材料機身噴氣公務機，整個機身采用面板為碳纖維的蜂窩夾層結構。
以T1100為代表的最新一代碳纖維同時實現了拉伸強度和彈性模量的雙重提升，成為下一代民機的選材新選擇。日、美相關企業和機構都明確表示最新一代高性能碳纖維的應用目標是航空航天高端市場，替代目前的T800和IM7等第二代碳纖維產品，從而實現飛機結構部件強度、剛度等綜合性能的提升，達到減輕結構重量、提升燃油效率的目標。
眾所周知，一種新型號碳纖維產品進入航空等領域會經過漫長的驗證期，如以T300和T800級碳纖維為代表的第一代和第二代復合材料從研發成功到應用都大約經歷了十幾年的時間，而最新一代的T1100級碳纖維復合材料的首次應用也是在高端體育用品領域。2018年10月，全球高爾夫球桿頂級制造商GraphiteDesign公司推出了TourAD系列高爾夫球桿，球桿采用了東麗T1100G碳纖維預浸料和先進的納米合金技術，尤其是T1100G碳纖維應用，在保證纖維重量不增加前提下，大幅度提高了結構剛度。
在高端體育領域小試牛刀后，東麗T1100級碳纖維繼續瞄向更高端空天領域，并逐步完善了該款纖維復合材料的數據庫。東麗復合材料美國公司2021年3月16日發布消息，公司最新款結構預浸料CMA3900已上市，具有廣泛的公共允許設計數據庫，并在CMH17手冊的下一版修訂版中將發布5批3900個允許的設計數據。
在T1100優異的模量和剛度組合下，已有結構制造商對其開展了應用初步驗證，期待在航空領域充分發揮其性能優勢。全球最大的一級航空結構制造商SpiritAerosystem公司基于T1100推出創新型復合材料機身壁板，并預計該壁板能夠降低未來復合材料機身30%的生產成本。2023年，位于美國加利福尼亞州圣安OverairInc.和Toray Composite Materials AmericaInc.（東麗美國）宣布了一項戰略合作，將東麗先進的T1100/3960預浸料系統用于Overair的“蝴蝶”（Butterfly）飛機原型項目。據說在安全性和效率方面無與倫比，蝴蝶飛機是一種低噪聲、零排放的電動垂直起降（eVTOL）飛機，將在人口稠密的城市提供可持續的空中共享服務。
復合材料尤其是高性能復合材料在民機結構中的應用，不僅可實現結構減重，還能提升民機的承載能力，從而降低油耗，提升經濟性，為民機發展和進步帶來了新的機遇，但是機遇往往也伴隨著挑戰，直接制約了復合材料的廣泛應用。其中最突出的挑戰之一就是材料成本和制造成本居高不下，如原材料的價格高、生產效率低、生產周期長以及固定設備投入高、能耗大等問題。因此，如何降低成本已成為復材在民機領域廣泛應用的熱點問題。
為了降低材料成本和生產成本、提高制造效率，歐美等國都制訂了多種研發計劃，以研制低成本復合材料結構。如美國DMLCC（低成本復合材料設計和制造）計劃進行了包括液體成型和自動鋪放等技術的批生產飛機低成本制造方法研究，目標是與以往類型的復合材料結構相比降低50%的成本。NASA也提出了ACT（先進復合材料）計劃，進行材料開發、分析技術開發、研究新的設計方法和制造方法，以期比原有金屬結構降低25%的成本。國內在復合材料低成本研發方面，目前仍處于初級階段，主要集中應用于風電和汽車等民用產品領域，而航空航天產品對于結構性能要求較高，且驗證流程嚴格，因此，仍需大量針對材料和相關制造技術的驗證和系統方法研究。
在航空方面，碳纖維增強復合材料在大飛機上的用量需求直線上升，直接促進了碳纖維工業的發展和先進復合材料技術的日趨完善。我國大飛機產業對于具有自主知識產權的高性能復合材料體系，尤其是具有高強高模和高環境適應性的新一代復合材料，需求極為迫切。盡早跟蹤、評價和發展適用于國產民機的高性能碳纖維增強復合材料體系，是保障我國商用飛機結構技術水平和市場競爭能力的關鍵基礎。
