在该项专利技术中，首先，通过将丙烯腈和共聚单体溶液聚合得到纺丝原液；然后，采用湿法纺丝，将纺丝原液经凝固、水洗、热水牵伸、上油、干燥后，再经蒸汽牵伸和热定型得到沸水收缩率为5.0‑6.8％、断裂伸长率为9.5‑11.0％、拉伸强度为4.7‑5.9cN/dtex的前驱体纤维；最后，将前驱体纤维经预氧化、低温碳化、高温碳化和超高温石墨化制备得到拉伸强度≥5.00GPa、拉伸模量≥540GPa、断裂伸长率≥0.90％的碳纤维。

 

M55X型高强高模高延伸碳纤维

高强高模碳纤维（又称“石墨纤维”）具有高比模量、热膨胀系数小、尺寸稳定等系列优点，是卫星和航天器的主体结构、功能结构和防护结构等不可替代的关键材料。而M55J级高强高模碳纤维拉伸模量更是高达540GPa，此前日本东丽、日本帝人是全球仅有的两家可以提供该级别碳纤维的企业，但帝人公司在2020年对其产品进行了调整，帝人不再提供UMS 55（模量540GPa，与东丽M55J相同），从而使得日本东丽公司成为全球唯一一家可提供模量540GPa及以上PAN基碳纤维产品的企业。

2016年1月，中国科学院宁波材料所碳纤维及其复合材料团队（以下简称“宁波材料所碳纤维团队”）在国内率先突破国产M55J级高强高模碳纤维关键制备技术，随后经过技术验证、批量稳定化制备、预浸工艺评价等，逐渐形成了自主牌号CNIQM55(M55J级）高强高模碳纤维产品，该型碳纤维在拉伸模量与国外同类型纤维相同的情况下，拉伸强度达到4.30GPa、略高于国外同类产品的4.02GPa。随后CNIQM55碳纤维实现了临近空间无人机中的应用。

 

传统M55J级高强高模碳纤维虽然具有极高模量，但因纤维强度和断裂延伸较低而呈高脆性。而此次开发的M55X型碳纤维系宁波材料所碳纤维团队在CNIQM55基础上，通过对纤维微观结构与宏观性能的进一步优化实现的。上述图片对比了日本东丽M55J、宁波材料所CNIQM55以及宁波材料所M55X型碳纤维的主体力学性能，从中不难发现，M55X型碳纤维在保持拉伸模量540GPa相同的情况下，碳纤维拉伸强度首次突破5.0GPa，与日本东丽M55J碳纤维相比，碳纤维拉伸强度提升了近1000MPa（1GPa），有利于纤维韧性和后续工艺性的提升。

兼具高强度高模量的MX型碳纤维成为第三代碳纤维主流趋势

日本东丽公司根据旗下碳纤维产品的发展历史、产品类别和丝束规格，进行了三代碳纤维产品的划分（如下图所示），其中近年来公司于2014年、2018年先后开发的兼具高强度、高模量的T1100和M40X型碳纤维被命名为第三代碳纤维，关于碳纤维划分更多内容可以延伸阅读原文。

 

日本东丽三代碳纤维发展历程

作为日本东丽公司第三代碳纤维中的超高强度、高弹性模量MX系列产品，最新的一款莫过于2024年1月新近推出的拉伸强度5.0GPa、拉伸模量437GPa的M46X型碳纤维，该款碳纤维与东丽公司2018年11月推出的M40X型碳纤维一样，同时保持了高拉伸强度和高拉伸模量。如果将日本东丽最新款M46X碳纤维与宁波材料所M55X型碳纤维相比，宁波材料所M55X型碳纤维的拉伸模量要高出100余GPa。

 

日本东丽第三代最新款M46X碳纤维产品

与此同时，还有一个值得关注的焦点在于：在此次公布的最新数据中，日本东丽公司的M40X型碳纤维力学性能指标有所调整，众所周知，根据此前东丽公司发布的M40X碳纤维的性能指标为拉伸强度5.7GPa、拉伸模量377GPa，但是在今年1月发布M46X型碳纤维时，将M40X碳纤维的拉伸强度从5.7GPa下调至5.5GPa（如下表所示）。

 

致力于技术原始创新，引领国产高性能碳纤维发展

在兼具高强度、高模量、高断裂延伸的第三代MX型碳纤维领域，宁波材料所碳纤维团队于2015年便开始布局研发工作。2017年在承担相关项目基础上，加快了新型高强高模碳纤维的批量制备工作，2019年7月实现拉伸强度5700-5900MPa、拉伸模量320-340GPa规格M30X型超高强高模碳纤维的批量稳定制备，在线抽样检测纤维强度6023MPa、模量321GPa。

2019年10月团队实现拉伸强度5500-5700MPa，拉伸模量360-380GPa规格M40X型高强高模高延伸碳纤维的批量稳定制备，在线抽样检测纤维强度5625MPa、模量377GPa。在2022年公布的一项专利技术中，团队已经成功制备得到拉伸强度≥5.0GPa、拉伸模量≥540GPa的M55X型高强高模高延伸碳纤维（即此次获得授权的专利）。

 

宁波材料所M30X、M40X、M50X及M55X型碳纤维检测报告

截至目前，在第三代高强高模高延伸碳纤维领域，宁波材料所碳纤维团队已经形成涵盖M30X、M40X、M50X以及M55X型碳纤维关键制备技术（相关产品已通过国内专业机构测试，如上图所示），而在2023年7月最新申请的一项专利技术（一种高强度超高模量的聚丙烯腈基碳纤维及其制备方法，申请号：202310880791.0）中已经可以制备得到拉伸强度4.0GPa、拉伸模量640GPa的尚未命名型号的超高模量碳纤维。