从纤维性能和技术特征对比分析全球拉伸强度最高的三款商品化高强度碳纤维

对于碳纤维产品而言，拉伸强度（Tensile Strength）是一项最为重要的性能指标，我们日常最熟悉的T300、T800等产品中的T就是代表了拉伸强度。实际上，在材料力学中，材料的强度是指其承受施加载荷而不发生破坏或塑性变形的能力。

材料的强度基本上考虑了施加到材料上的外部载荷与由此产生的材料尺寸变形或变化之间的关系。对于拉伸应力，材料或结构承受趋于伸长载荷的能力被称为极限拉伸强度（UTS）。屈服强度或屈服应力是材料特性，其定义为材料开始塑性变形的应力，而屈服点是非线性（弹性+塑性）变形开始的点。

目前关于碳纤维拉伸强度的测试，主要可以通过两种方法来进行测试：单丝测试和束丝测试。在本文中主要介绍了三款拉伸强度最高的商品化聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，由于沥青基碳纤维和黏胶基碳纤维拉伸强度远远低于PAN基碳纤维，所以这三款高强度PAN基碳纤维基本代表了目前碳纤维力学性能（强度）的最高水平。

此次对比的三款高强度碳纤维分别是日本东丽T1100、日本三菱化学MR70以及美国Hexcel公司的IM10，丝束规格均为12K，三款碳纤维主要性能指标如下表所示。

a、从技术特征来看，三种碳纤维用原丝纺丝时采用溶剂体系存在不同，其中东丽采用DMSO、三菱采用DMF、Hexcel采用NaSCN；目前基本可以明确的是东丽T1100G/S采用干喷湿纺工艺，而根据公开信息三菱与Hexcel暂无干喷湿纺技术，因此MR70、IM10两款碳纤维大概率采用湿法工艺，这或许也是这两款碳纤维直径显著低于T1100的原因之一。

b、从强度/模量/伸长率来看，三种碳纤维拉伸强度代表业内最高水平，而且模量也均突破了300GPa，具备了航空用第三代超高强度碳纤维特征，而且兼具了高延伸率；三款纤维主体性能不分伯仲，也证明了不同技术路线均可制备出高强度碳纤维。

c、从线密度/直径来看，三种纤维存在较大差距，首先东丽T1100碳纤维线密度最高、直径也越大，三菱MR70次之（虽然直径具体数值未公开，但可以根据线密度估算，应介于另两款纤维之间），而Hexcel的IM10碳纤维直径最小，仅为4.4μm。

d、进一步围绕直径来分析，一般而言PAN原丝直径约十几微米，而经过预氧化、低温碳化、高温碳化处理后，随着热处理过程中非碳元素溢出，纤维直径逐渐下降，而三菱MR70、Hexcel的IM10的细直径说明两款纤维热处理程度更高（三菱MR70较高的体密度尤为明显），而IM10直径几乎与东丽经石墨化制备得到的M40J/M55J碳纤维相当。

虽然三款碳纤维拉伸强度性能优异，但是制备工艺、纤维其他指标（尤其是直径）等均存在较为明显的差异，这也使得三种纤维最终应用可能存在不同。