碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，含碳量在95%以上，其质量比铝轻，但强度却高于钢铁，并具有耐腐蚀、耐高温等特性，在国防军工和民用方面都有广泛应用。高模量碳纤维弹性模量较普通碳纤维高出一大截，是军民两用的工业材料，是广泛用于航天、航空、运动器材、高档民品等先进复合材料的增强体。而石墨纤维是碳纤维领域中的“尖兵”，其含碳量高达99%，分子结构已石墨化，具有层状六方晶格的结构，除具有轻质、高强特性外，还具有超高模、高导热、高导电、低热膨胀系数等优良特性。

在高模量碳纤维领域，M55J级碳纤维（石墨纤维）在技术上、价格上和市场上都受到美国、日本的垄断，对我国采取了种种限制手段，严重制约着我国航天卫星事业的发展。在该领域，我市具有一定的技术基础，如果在这个方面有进一步的突破，将会有效促进我市碳纤维产业结构升级，抢占技术高地和市场“蓝海”。为此，市科技部门于2017年组织威海拓展纤维有限公司承担“M55J级碳纤维工程化制备技术研究”省级重大科技项目。经过无数次实验，历经近3年的艰苦技术攻关，该项目于2019年成功完成，项目成果可使高端复合材料结构装备强度与刚度的匹配度更高、自身特性的可设计范围更宽、重量更轻，应用领域更广，打破了美、日的垄断，有力地保证了我国航天卫星事业的发展。

威海拓展纤维通过对以M55J级碳纤维为代表的碳纤维领域技术创新，突破了一批关键技术，引领了全市碳纤维产业的发展，打造全国最大的碳纤维生产基地，进一步壮大了新材料产业集群。

现实逼迫高模量碳纤维制备技术破题

弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，工程应用价值越高。

碳纤维在军品和民品中的战略地位早已得到认可，国内已经具备批量产出通用级T300级碳纤维的能力，其性能指标已经达到了部分领域的使用要求。通用级T300级碳纤维广泛地运用在民用领域，用作预浸料、编织布，复合管材、碳纤维毡等工业生产及民用自行车、羽毛球拍、乒乓球拍等体育用品领域。但是，由于通用级T300级碳纤维的弹性模量在230GPa左右，其单向复合材料的纤维向弹性模量只有140GPa左右，所以，对于大（高）刚度结构，通用级T300级碳纤维远远达不到使用要求，即使性能更加优异的T700级碳纤维也“力有不逮”。如果要使复合材料的弹性模量达到钢材的弹性模量，就必须制备高模量碳纤维——M55J级碳纤维。

M55J级碳纤维的强度不算高，比通用级T300级碳纤维略高，而比T700级碳纤维低了很多，但弹性模量高达540GPa，比通用级T300级碳纤维和T700级碳纤维弹性模量高出300GPa左右，正是弹性模量的差别造就了M55J级碳纤维的独特用途。如，由于卫星在外太空经历极寒和极热环境，卫星设备材料需要经历严苛的热胀冷缩情况，普通合金材料的热障系数满足不了外太空的环境要求，这就需要模量高、收缩弹性小的高模量碳纤维。可以说，高模量碳纤维是航天卫星领域必不可少的材料。

打破工程化批量生产僵局，填补国内空白

要实现M55J级碳纤维的工程化批量生产，难度非常高，不仅生产技术、工艺需要从头研发，就连产业化的生产装备也要从头自主设计制造，由于碳纤维的性能表征与制备工艺相关性能较为复杂，导致产品稳定性控制非常困难，即使实现了批量制造，后续的在线质量控制技术也要配套研发改进。除此之外，仅有碳纤维是无法直接应用的，还需要开发出对应的复配材料和技术，最终实现高模量碳纤维复合材料的纤维向弹性模量达到549GPa，强度高于4020MPa。只有这样才能解决碳纤维在大刚度结构上的可用性问题，实现大（高）刚度结构的复合材料化、轻量化等使用需求，使我国高端复合材料结构装备强度与刚度更协调（匹配度更高）、自身特性的可设计范围更宽、重量更轻，应用领域更广。

面对艰巨繁杂、时间紧迫的研究任务，威海拓展纤维决定与山东大学（威海）开展合作攻关，利用山东大学（威海）在碳纤维及其复合材料应用技术领域的人才与研发的资源，深度融合碳纤维的工程化应用和装备开发能力，强强联合。经过3年磨一剑，在大容量聚合聚丙烯腈聚合物分子结构和聚集态结构稳定控制工艺技术，原丝湿法纺丝制备技术，均质预氧化、碳化控制技术，表面处理技术等关键技术实现突破，顺利实现了M55J级碳纤维工程化批量生产。

M55J级碳纤维项目的成功实施，打破了我国无法实现工程化批量生产的僵局，填补了国内空白。批量生产的国产M55J级碳纤维经第三方专业机构检测，性能与国外进口产品相当，可实现部分或全部替代，满足国防军工领域的需求，推动国产碳纤维事业发展。

引领我市碳纤维产业高质量发展

2020年，威海拓展纤维已建成高强高模碳纤维石墨化生产线一条，实现年产能20吨。项目的成功实施，带动了威海拓展纤维的技术创新能力快速提升，威海拓展纤维已参与主持制定了《聚丙烯腈基碳纤维》和《碳纤维预浸料》两项国家标准，申请专利230余项，主持建设了碳纤维制备及工程化国家工程实验室、国家认定企业技术中心、山东省碳纤维技术创新中心等科研平台，获得全国首届“师昌绪新材料技术奖”、中国纺织工业联合会科技进步一等奖、山东省科技进步一等奖、二等奖在内的20余项荣誉。威海拓展纤维在自主创新的科技道路上越走越坚定，正在向国际纤维复合材料科技最前沿不断靠拢。