（来源：中国化工信息周刊）

关键词 | 碳纤维复合材料 应用研究共 4290 字 | 建议阅读时间 10 分钟

碳纤维复合材料以其高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀等优势，以及独特的可设计性，可整体化成形和结构功能融合制造等优点，在航空航天领域得到了广泛应用，已和铝合金、钛合金并列成为航空三大主干材料。

结构轻质化设计目标需要具有更高强度和模量等级的碳纤维复合材料来实现，通常情况下，飞机质量每减轻1%，有效航程可增加约0.75%。国内先进树脂基复合材料经历了第一代T300级碳纤维复合材料到第二代T800级碳纤维复合材料的发展阶段，在飞机结构中逐步实现了从方向舵、升降舵等舵面结构部位到尾翼级结构、机翼级等承力结构部位的使用，取得了良好的减重效果。为了进一步满足飞机严苛的减重要求，提高结构承载效率，第三代高性能碳纤维复合材料成为现阶段国内复合材料领域研究的热点。相比第一代T300级碳纤维复合材料和第二代T800级碳纤维复合材料，第三代高性能碳纤维复合材料具有更高的强度和模量等级，具备更高的结构减重效率，是实现航空领域跨代升级的主干材料。国外第三代高性能复合材料已经发展成熟，实现了批量化工程应用，建立了成套的评价体系与性能数据，国内第三代高性能复合材料目前处于研发阶段，综合技术成熟度较低，在材料稳定化制备、应用研究与工程验证等方面与国外相比尚存在一定的差距。因此，需要开展第三代碳纤维复合材料研制与应用研究，积累性能数据，提升国内第三代碳纤维复合材料整体技术水平，促进实现体系化、成熟化发展。

01

国外第三代高性能碳纤维复合材料发展现状

欧美发达国家长期以来将复合材料技术作为关键技术给予优先发展，为先进树脂基复合材料在航空领域大量应用奠定了基础。按复合材料的冲击后压缩强度（CAI）划分，国外增韧碳纤维复合材料经历了第一代韧性复合材料、第二代韧性复合材料和第三代韧性复合材料的系列化发展过程，其中，第一代韧性复合材料的CAI为170M～250MPa， 第二代韧性复合材料的CAI为250M～315MPa，第三代韧性复合材料的CAI大于315MPa。国外复合材料的发展在注重韧性提升的同时，同时追求高强度和高模量两个研究方向，即一方面向着更高强度发展，另一方面在保持较高强度的同时，向更高模量发展。随着高性能碳纤维复合材料在航空领域应用的进一步需求，目前国外研制成功的第三代碳纤维T1100级碳纤维拉伸强度达到了6600MPa，拉伸模量达到了324GPa的水平，相应的高强高模高韧第三代复合材料也相继推出应用，其中最具代表性的第三代复合材料为东丽公司研制的T1100G/3960复合材料。自2019年起，东丽公司针对新一代T1100G/3960预浸料，开展了大量的性能测试工作，并形成了材料许用值和设计用性能数据，为T1100G /3960预浸料体系采用传统手工铺放和自动纤维铺放制造工艺确立了合规性要求和工艺规范，相关实验规范和数据作为产品质量认证的基础，同时东丽公司致力于与第三代碳纤维匹配的高性能树脂的改进与研发，采用NANOALLOY®纳米尺度共混技术，从分子层面提升碳纤维复合的界面性能与力学性能，通过对树脂分子构造和固化反应进行精确控制，有效压缩了分子链之间的空隙，提高了分子网络的致密程度，实现了第三代复合材料的高模量与高韧性协同提高，T1100G/3960预浸料冲击后压缩强度达到331MPa，0°拉伸强度为3797MPa，0°拉伸模量为173GPa，相比于第二代T800/3900-2预浸料，大幅提高了20％以上的刚度。表1为国外东丽公司典型第三代高性能复合材料Toray CMA T1100/3960的主要性能。

表1 国外典型第三代高性能复合材料主要性能

02

国内第三代高性能碳纤维复合材料发展现状

国内复合材料经历了从基本型树脂（非增韧）、标准韧性树脂基体（第一代）到中等韧性树脂基体，再到高韧性树脂基体的发展历程。第一代复合材料环氧树脂基本采用橡胶增韧，这类材料具有良好的韧性和工艺性，使用温度不超过80 ℃，如3234环氧树脂基体。以5228和BA9916为代表的热塑性树脂共混增韧高温固化环氧树脂基体发展成为第二代高韧性树脂基体，其复合材料的CAI为250MPa以上。为进一步提高复合材料的韧性，国内发展了热塑性树脂薄膜、淤浆法和热塑性超细纤维无纺布层间增韧树脂基复合材料技术，研制了AC531高韧高温环氧树脂、AC631双马树脂等第三代高韧性树脂基体，开展了与国产T800级碳纤维相匹配的树脂增韧技术、预浸料研制和复合材料工艺研究等，并已实现批量工程应用，为新一代高性能复合材料的工程化研制提供了宝贵的经验。

2016年，国内提出了新一代碳纤维发展方向，以及高强高模高韧压拉平衡的第三代先进复合材料的概念和目标，开展了第三代高性能碳纤维及其复合材料的探索性研究课题，取得了积极进展。目前，国内基本突破了第三代高性能碳纤维的制备技术，并具备了一定的研发基础，通过采用干喷湿纺工艺制备的碳纤维体密度较高，结构较均匀，主要性能达到了国外同类材料的性能水平。国内复合材料树脂基体发展趋势见图1。碳纤维干喷湿纺工艺与传统湿纺工艺特点对比见表2。

表2  高性能纤维湿纺和干喷湿纺工艺的主要特点对比

为了与高性能纤维的匹配结合，需要高强高模高韧树脂实现性能的协同提高，由于传统的树脂高交联密度与刚性结构使热固性树脂固化后呈现“质脆”的弱点，不能满足新一代航空复合材料对冲击韧性的要求。因此，树脂体系的增韧改性研究一直是国内高性能树脂研发的重要研究领域。为进一步提高复合材料的抗冲击损伤能力，国内近年来提出了“控制层间相”及“离位增韧”的思想，并进一步发展出以复合材料层间增韧技术为代表的第三代树脂，基于分子结构设计和微纳增强增刚技术，充分利用热塑性和热固性树脂以及刚性纳米粒子的各自特性，通过优化基体分子设计，与多尺度层间增韧的技术相结合，实现树脂体系“层间增韧、层内增强”，研制出了拉伸模量≥4.5GPa，拉伸强度≥80MPa的高强高模高韧环氧树脂。通过纳米刚性粒子和韧性颗粒改性技术，开展了新一代环氧树脂体与第三代碳纤维体系的高模高韧化匹配，相关复合材料初步具备高强高模高韧的特性。

03

第三代高性能碳纤维复合材料体系性能研究进展

3.1

高性能碳纤维性能研究

国产第三代高性能碳纤维性能测试包括含碳量、纤维直径、线密度、拉伸强度、拉伸模量和断裂伸长率。主要性能测试结果见表3。从表3可见，国产第三代高性能碳纤维拉伸强度典型值为6682MPa，拉伸模量典型值为334GPa，与东丽T1100级碳纤维性能比较，碳纤维模量优于东丽T1100级碳纤维，而强度偏低。与国内第二代纤维T800级性能比较，碳纤维拉伸强度提升了21.86％，拉伸模量提升了13.95％，与国内第一代纤维T300相比，碳纤维拉伸强度提升了21.86％ ，拉伸模量提升了13.95％，性能提升明显。表4为国产第三代高性能碳纤维主要性能对比。

表3  国产高性能碳纤维主要性能

表4  国产第三代高性能碳纤维主要性能对比

对第三代高性能碳纤维微观结构进行测试，结果发现，碳纤维截面接近圆形，纤维表面有沟槽结构，径向结构较为致密，界面特性良好。

3.2

第三代高性能碳纤维复合材料性能研究

国产第三代高性能碳纤维复合材料性能见表5。从表5可见，高性能碳纤维复合材料0°拉伸强度为3421MPa，0°拉伸模量为193GPa，0°压缩强度为1773MPa，0°压缩模量为168GPa，冲击后压缩强度为335MPa，与东丽公司T1100G/3900复合材料主体力学性能接近，相比第二代T800级碳纤维复合材料，拉伸性能有明显提升，0°拉伸强度提升了28.80%，0°拉伸模量提升了16.27%，0°压缩强度提升了6.61%，0°压缩模量提升了9.80%，冲击后压缩强度提升了7.46%，压缩性能提升幅度有待进一步提高，主要原因是由于高性碳纤维模量的提升，表面石墨化程度提高，带来表面活性基团含量降低，化学活性不足，与上浆剂及树脂的化学结合能力降低，界面结合性较弱导致压缩性能提升难度变大。表6为第三代高性能复合材料与T800级复合材料性能对比。

表5 国产第三代高性能碳纤维复合材料主要性能

表6 第三代高性能复合材料与T800级复合材料性能对比

04

高性能碳纤维复合材料发展趋势

随着航空结构轻量化、低成本、高可靠性对高性能碳纤维复合材料的迫切需求，第三代高性能复合材料应具备高比刚度、比强度协同提高，以进一步提升结构承载效率，使机体结构更轻量化。下一阶段亟需在高性能碳纤维改进、树脂增韧改性与界面优化以及预浸料稳定化制备控制技术等方面开展进一步研究。

（1）提升高性能碳纤维均质化制备和微缺陷控制技术，由于第三代碳纤维模量高，微晶尺寸较大，在制备过程中更容易产生毛丝及单丝断裂等现象，造成碳纤维的强度降低，从而影响复合材料性能。因此控制原丝结构与预氧化过程中供给氧含量，预氧化纤维低温碳化过程中的小分子逸走速度、孔隙结构和孔隙尺寸纳米级别的工艺控制，以及高模量和高强度最佳碳化的温度控制，是实现高性能碳纤维拉伸强度和拉伸模量同时提高的关键。

（2）发展第三代碳纤维/上浆剂/高性能树脂界面综合匹配技术研究，因模量提升带来的纤维表面惰化，纤维表面粗糙度下降，树脂与纤维界面物理啮合作用降低，将会影响纤维的性能转化，因此，通过高模高韧树脂基体优化、耐高温增韧体系改性、碳纤维/上浆剂/树脂界面处理优化，获得适用于高韧性树脂的界面结构表征及控制方法，充分发挥增强纤维更高强度更高模量的特性，提高第三代碳纤维复合材料高损伤容限和高损伤阻抗特性。

（3）开展高精度预浸料稳定化制备控制技术研究，由于第三代碳纤维模量大幅提升，纤维表面处理及上浆剂不相同，以及纤维与树脂的复合界面、性能差异较大，第三代高性能复合材料的制备对预浸料的粘性、表面状态、硬挺度、浸润性、丝束宽度精度等提出了更高的要求，通过高韧性预浸复合制备工艺研究、高精度丝束分切工艺优化等，研制同时满足手工铺贴及自动铺放工艺要求的高性能预浸料，实现预浸料制备精度及预浸丝束宽度精度的有效控制，以适应未来大型机体主承力结构的制造。

05

结  语

第三代高性能碳纤维复合材料是目前和未来主要的航空结构复合材料，国外已形成了第三代高性能碳纤维及其复合材料工业化综合技术基础，实现了系列化的生产供应体系，借鉴国外高性能复合材料的发展经验，立足国内现有碳纤维及复合材料技术基础，尽快开展高性能碳纤维复合材料的工程化研制与应用验证研究，构建第三代碳纤维及其复合材料体系指标，建立配套的材料、工艺、检测、测试标准体系，形成规模化批产能力，实现第三代高性能碳纤维复合材料的品种系列化、质量稳定化、价格低成本化发展。

来源：《化工新型材料》2026年第1期