中国突破特种碳纤维，专用于制造卫星
2017-07-21
中国电源产业网
导语：
根据官媒的报喜文章，航天科工集团公司二院二部主持的国产M40J碳纤维研制项目获得成功，并“达到国际领先水平”。
这则新闻从技术角度来解读可以分析出两个要点
一：国内先进卫星平台的碳纤维来源解决，摆脱对于非正常渠道的依赖
图片：碳纤维分为多种类型，设计制造上会有明显的性能取向区分
国内目前的自主碳纤维，命名上常常沿袭日本东丽公司的产品牌号；比如最广为认知的T300~800系列高强度碳纤维，以及相对知名度较低的M40J~60J系列高模量碳纤维——或者说石墨纤维（因其含碳量更高）。
Mx0J系的高模量碳纤维，最大的优势是制造尺寸极为轻薄、但特别不容易变形的部件——尤其是遭受极大温差变化的情况下，依靠0膨胀系数保持尺寸稳定，既不收缩也不膨胀。
图：制造先进飞机用的是高强度碳纤维而不是高模量碳纤维
由于性能取向和价格等问题，这种碳纤维通常不用于飞机制造，极少用于导弹，主要用于制造卫星结构、特别是天线的骨架。
高模量碳纤维，国际上一直对中国禁售，封锁很严厉。去年美国法院就起诉一名中国公民，声称他向中国走私M60J碳纤维。
图：高模量纤维用于制造卫星，比如主结构、太阳能电池板支架、天线支架
此次国内实现M40J纤维的国产，意味着国内先进卫星平台的制造材料来源已经实现独立自主，不再需要通过非正常渠道获得。
二：航天科工集团没有T800级碳纤维的原丝，只有T300-700级。
目前的主流高性能碳纤维制备方法，是由近藤昭男在大阪工业技术实验所发明的，用细旦化的聚丙烯腈纤维作为原丝，经过高温碳化而成。
而T系列的高强度纤维，和M系列的高模量纤维，是用同样的原丝经过不同取向的加工工艺做出来的差异定位产品。
图：碳纤维的关键，原丝
实际上M40J和T300就是东丽用同样的原丝，在同一年（1971年）批量生产成功，都属于第一代高性能碳纤维。1992年，东丽公司的高模量纤维已经推出M70J；而更早的M60J，强度性能比M40J提升了43%，拉伸模量性能比M40J提升了50%。
在成分上的重要差异，是T300-T800这样的高强度碳纤维的含碳量一般在93~96%，含氮量在4~7%。而M40J这样的高模量碳纤维/石墨纤维，含碳量达到99.7%以上。
而它们的关键性能差异在于，T300更不容易被拉断，其抗拉强度比M40J高出33%；但是M40J更不容易被拉变形，同样都是拉到断裂为止，T300会伸长1.2%，M40J只会伸长0.5%。
图：碳纤维炭化炉
在碳纤维的制造中——特别是国内的碳纤维发展，原丝是最要命的问题。在80年代，中国在拿到东丽的原丝以后，就能自行制造出性能相当的T300碳纤维成品；后来各主要高校和院所的实验室中，直到T800的试验也是如此，有原丝，就能拿出同级别的碳纤维成品。
然而从80年代的试验开始，直到30年后，中国才磕磕绊绊的完成了T300的国产化——期间一直没有解决原丝的性能和质量控制问题。
在碳纤维的原丝上，T300-T700、以及M40J使用的都是同一个级别的原丝。但T800、以及M55J以上，就必须使用细旦化程度更高的原丝。航天科工集团此次拿出M40J级别的产品，证明其原丝性能仅能支持T300-700级纤维。
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