高性能T1100级碳纤维原丝制备及复合材料界面调控技术研发

需求背景

T1100级碳纤维是大型民用客机机身复合材料主承力结构的核心增强材料，需满足拉伸强度≥6300MPa、弹性模量≥320GPa、断裂伸长率≥2.0%的性能要求，且批次间强度波动需≤3%。目前国内T1100级碳纤维存在原丝纺丝液均匀性差（直径偏差＞±2μm）、碳化过程缺陷密度高（孔隙率＞1.2%）、复合材料界面剪切强度低（较日本东丽T1100低15%）等问题，导致国产碳纤维在C929机身复合材料中的应用比例不足10%。据中国复合材料学会数据，2024年国内T800级以上高性能碳纤维进口依存度达82%，日本东丽、美国Hexcel占据全球75%市场份额，进口价格高达8000美元/kg。研发自主可控的T1100级碳纤维技术，对突破大飞机复合材料国产化瓶颈、降低新能源汽车轻量化成本具有战略意义，符合《“十四五”原材料工业发展规划》中“高性能纤维及复合材料专项”要求。

需解决的主要技术难题

1. 如何开发超高分子量聚丙烯腈（PAN）纺丝液的连续聚合工艺（分子量分布指数≤2.0），解决原丝内部微缺陷（直径偏差±0.5μm）问题，通过凝固浴浓度梯度调控（DMAC/H₂O 65%-45%）实现原丝截面圆形度≥98%，将单丝强度离散系数控制在≤2%。

2. 针对碳化过程石墨片层取向度不足问题，如何优化低温碳化（200-800℃）张力梯度（5-15cN/dtex）与高温石墨化（2500-3000℃）保温时间（60-90s），实现石墨层间距d002≤0.336nm，层间剪切强度（ILSS）提升至≥120MPa。

3. 如何构建碳纤维表面纳米级氧化-接枝协同改性工艺（氧化深度50-100nm，接枝率≥3.5%），解决树脂基体界面结合弱问题，通过石墨烯量子点（GQDs）掺杂环氧树脂基体（添加量0.5wt%），将复合材料层间断裂韧性（GIC）提升至≥800J/m²。

期望实现的主要技术目标

a. 性能指标：拉伸强度≥6500MPa，弹性模量≥330GPa，断裂伸长率≥2.1%，线密度偏差≤±1%

b. 可靠性：批次间强度波动≤2.5%，高温抗氧化性能（400℃/100h）强度保持率≥90%，疲劳寿命（10⁷次循环）强度保持率≥95%

c. 材料性能：原丝孔隙率≤0.3%，碳化收率≥52%，表面活性官能团密度≥1.2×10¹⁵个/cm²

d. 工艺指标：连续纺丝速度≥120m/min，单丝直径5-7μm，卷装重量≥50kg/轴

e. 成本控制：原丝制备成本降低至800元/kg（现有1500元/kg），复合材料成型周期缩短40%（≤4小时/件）

f. 适配性：兼容热压罐成型工艺，满足CCAR-25-R4航空器材料适航要求，通过ASTM D4018标准测试