日本東麗公司作為全球PAN基碳纖維領(lǐng)先的制造商，長期占據(jù)該領(lǐng)域產(chǎn)品和技術(shù)領(lǐng)先地位，尤其是在高強型碳纖維領(lǐng)域，日本東麗T300、T800先后通過航空飛機(jī)材料體系驗證，而T1000碳纖維強度也達(dá)到6370MPa。雖然1990s東麗公司碳纖維最高強度號稱達(dá)到7000MPa，但是一直未商品化生產(chǎn)，因此6370MPa成為東麗商品化產(chǎn)品中強度最高的碳纖維。

在隨后的20年間，日本東麗一直利用既有牌號的高強型碳纖維在軍用、民用市場上受益，直至2010年，美國Hexcel公司推出了全球首款航空用第三代超高強中模碳纖維IM10碳纖維（閱讀原文），該款纖維的拉伸強度不但達(dá)到6791 MPa，而且模量也使高強型碳纖維首次突破300GPa，達(dá)到310GPa。

為了重奪高強型碳纖維技術(shù)產(chǎn)品制高點，日本東麗加速研發(fā)進(jìn)程，通過利用傳統(tǒng)的PAN溶液紡絲技術(shù)，精細(xì)控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結(jié)構(gòu)，通過對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進(jìn)行控制，于2014年3月成功開發(fā)出拉伸強度6600MPa、拉伸模量324GPa的T1100G碳纖維。可延伸閱讀本公眾號原創(chuàng)文章《日本東麗T1100級碳纖維性能詳解及應(yīng)用實例》（閱讀原文）。

2017年，日本東麗公司T1100G碳纖維成功實現(xiàn)商業(yè)化，而且產(chǎn)品性能進(jìn)行進(jìn)一步修正，其中T1100碳纖維拉伸強度由6600MPa修正為7000MPa、拉伸模量保持不變，并同時公布了纖維規(guī)格、線密度、伸長等指標(biāo)。東麗公司T1100G成功實現(xiàn)商品化使得日本東麗重新回到高強型碳纖維龍頭地位。

如果說2017年T1100G碳纖維商品化使得日本東麗重回高強型碳纖維龍頭地位，那么新型高強高模碳纖維M40X產(chǎn)業(yè)研發(fā)成功，則顯示出日本東麗公司在為加速替代傳統(tǒng)T800級高強中模碳纖維和M40J級高強高模碳纖維而努力。

2018年11月19日，日本東麗公司宣布開發(fā)出新的碳纖維，獲得了更高的拉伸強度和拉伸模量，并將其命名為M40X，隨后計劃擴(kuò)大其產(chǎn)品線。M40X碳纖維拉伸強度5700MPa、拉伸模量377GPa，其強度要略高于東麗T800強度5490MPa，而模量則比T800的294GPa高出28%；而M40X碳纖維與航天用M40J相比，模量與之相同，但強度比M40J的4410MPa高出29%。

日本東麗M40X型高強高模碳纖維的研發(fā)成功解決了長期以來碳纖維高強度和高模量難以共存的難題，而且由于纖維高強度優(yōu)勢使得M40X斷裂伸長率突破了1.5%；高強度、大伸長滿足了航空材料應(yīng)用特性需求，而高強度、高模量又可滿足航天結(jié)構(gòu)材料特性需求。因此，M40X有望在高端航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，并可能替代傳統(tǒng)的T800級高強中模碳纖維和M40J級高強高模碳纖維。

與此同時，美國Hexcel公司也不甘示弱，在2019年3月12日的巴黎復(fù)合材料展覽會上推出了HexTow HM50型碳纖維，其拉伸強度5860MPa、拉伸模量345GPa。隨后在2019年中，Hexcel公司對HM50型碳纖維性能指標(biāo)進(jìn)行了修正，拉伸強度保持不變，而模量進(jìn)一步提升到359 GPa。

在新型高強高模碳纖維領(lǐng)域，中科院寧波材料所緊跟技術(shù)前沿，2019年7月實現(xiàn)拉伸強度5700-5900MPa、拉伸模量320-340GPa規(guī)格CNI30X型新型高強高模碳纖維的批量穩(wěn)定制備，在線抽樣檢測纖維強度6023GPa、模量321GPa；2019年10月實現(xiàn)拉伸強度5500-5700MPa，拉伸模量360-380GPa規(guī)格CNI40X型新型高強高模碳纖維（相當(dāng)于東麗M40X）的批量穩(wěn)定制備，在線抽樣檢測纖維強度5625GPa、模量377GPa。

2020年5月21日，日本東麗開發(fā)出最新款高模量碳纖維，其拉伸強度4800MPa、拉伸模量390GPa。關(guān)于該款纖維簡介可延伸閱讀《詳細(xì)解析日本東麗最新型高模量碳纖維及熱塑性顆粒》（閱讀原文）。

與M40X型碳纖維意欲搶占高端航空航天領(lǐng)域不同，該款高模量碳纖維則瞄準(zhǔn)了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)品強度略低于東麗T700的4900MPa，但是模量提升了70%，從而保證最終碳纖維結(jié)構(gòu)件具有超高剛度特性；而且該款纖維體密度僅為1.74g/cm3，要低于T700纖維的1.80g/cm3，因此具有更加優(yōu)異的輕量化效果，因此該款產(chǎn)品有望替代傳統(tǒng)的T700碳纖維，而其最終應(yīng)用也將瞄準(zhǔn)汽車輕量化等領(lǐng)域。

按照傳統(tǒng)石墨化工藝，如果碳纖維模量達(dá)到390GPa時，根本無法保證纖維直徑7μm，且體密度僅為1.74g/cm3。在東麗公司高模量碳纖維中只有第一代高模量碳纖維M40纖維直徑達(dá)到7μm，且拉伸模量達(dá)到392GPa，但M40碳纖維的拉伸強度僅為2740MPa，且體密度也高達(dá)1.81g/cm3。此外，東麗公司MJ系列高模碳纖維直徑均在5μm一下，因此單單從性能指標(biāo)上就可以看出東麗公司該款最新型高模量碳纖維具有較高的技術(shù)創(chuàng)新性。

綜上所述，T1100G碳纖維產(chǎn)品是東麗公司為了重奪高強型碳纖維龍頭地位而研發(fā)，除此之外，M40X和最新款高模量碳纖維主要目的則在于針對傳統(tǒng)的高端航空航天和工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品替代而研發(fā)，而這兩款纖維特點均顯示出高模量的特點，作為全球PAN基碳纖維技術(shù)風(fēng)向標(biāo)，高模量碳纖維有望成為下一代碳纖維發(fā)展重點。

當(dāng)然所謂的下一代高模量碳纖維也要兼具高強度特性。高性能碳纖維之所以在航空航天、體育、汽車、建筑等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，首先要歸功于其優(yōu)異的高強度特性，而高強型碳纖維如T300、T700、T800等作為早期研發(fā)成功產(chǎn)品至今仍在市場上占據(jù)極高的地位，但高強型碳纖維也有一定局限，拉伸模量均低于300GPa，隨后日本東麗公司研發(fā)出了MJ系列碳纖維，該系列碳纖維模量大幅提升，但是卻以大幅犧牲拉伸強度為代價。而近期日本東麗開發(fā)的M40X和最新款的高模量碳纖維均體現(xiàn)出了兼具高強度高模量特性，拉伸模量的提高可以賦予構(gòu)件更高的結(jié)構(gòu)剛度和尺寸穩(wěn)定性，兩者特性兼具有望使其成為傳統(tǒng)高強型碳纖維和MJ系列產(chǎn)品的替代品。

雖然從M40X型碳纖維綜合性能指標(biāo)上分析可以替代傳統(tǒng)的T800和M40J碳纖維，但是對于航天用高模量碳纖維目前主流產(chǎn)品為M55J、M60J級高模碳纖維，兩款纖維拉伸模量分別高達(dá)540GPa、588GPa，但是兩者強度均低于4100MPa；因此隨著近年來國內(nèi)外航天領(lǐng)域高速發(fā)展及其對高模碳纖維需求劇增，單純從碳纖維制備技術(shù)而言，估計未來日本東麗公司有可能開發(fā)M55X、M60X型碳纖維，該型碳纖維性能在保證纖維模量＞500GPa的同時，強度有可能達(dá)到5000MPa及以上。

國內(nèi)碳纖維長期處于跟蹤模仿狀態(tài)，尤其是以模仿日本東麗公司碳纖維為主，若要實現(xiàn)彎道超車，必須要加強自主創(chuàng)新能力研發(fā)，形成自主知識產(chǎn)權(quán)體系。中科院寧波材料所在高性能碳纖維國產(chǎn)化領(lǐng)域始終走在國內(nèi)前列，經(jīng)過十余年發(fā)展已經(jīng)突破T1000、M55J、M60J級碳纖維關(guān)鍵技術(shù)，并形成自主知識產(chǎn)權(quán)體系，而在東麗2018年底推出M40X型碳纖維后，寧波材料所也于2019年10月實現(xiàn)M40X型技術(shù)突破，體現(xiàn)了在高性能碳纖維領(lǐng)域技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗積累。而在下一代M55X型碳纖維研制方面，目前寧波材料所研發(fā)高模量碳纖維在模量達(dá)到544GPa的同時，強度最高可達(dá)4994MPa（下圖為第三方測試報告），在未來研究工作中將繼續(xù)開展相關(guān)研究工作，誠摯歡迎國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域企事業(yè)單位開展聯(lián)合攻關(guān)，爭取早日突破國產(chǎn)化新型高強度高模量碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。