聚丙烯腈（PAN）基高模量碳纤维是指拉伸模量超过350GPa、含碳量在99%以上的一类高性能碳纤维，它具有弹性模量高、热膨胀系数小、尺寸稳定等优异性能。PAN基高模量碳纤维增强复合材料可在温度交变环境中实现零膨胀，因此成为航天飞行器、深空探测等领域的重要原材料。目前在轨、在研和论证中的宇航结构产品广泛使用了PAN基高模量碳纤维，它已成为各级主次结构的核心关键材料，也是未来航天材料发展的重点。
PAN基高模量碳纤维是在中模量碳纤维基础上经过进一步高温石墨化制备得到，石墨化过程所需温度高可达3000℃，具有基础研发难度大、核心技术壁垒高等特点。长期以来，PAN基高模量碳纤维关键制备技术一直被国外少数碳纤维生产企业所垄断。近年来尤其是近5年来，以日本东丽、美国Hexcel 为代表的国外企业在PAN基高模量碳纤维领域不断取得技术突破，引领着该领域技术的创新发展。
2日本东丽高模量碳纤维
日本东丽公司作为PAN基碳纤维制造商，在高模量碳纤维领域一直处于地位。1971年东丽公司在研制出T300级碳纤维基础上，经过进一步石墨化处理制备了拉伸强度2100 MPa、拉伸模量400 GPa的M40型高模量碳纤维，随后经过了10余年发展，M40型高模量碳纤维性能逐渐稳定在拉伸强度2740 MPa、拉伸模量392 GPa，随后公司又研发出了拉伸强度2450 MPa、拉伸模量490 GPa的M50型高模量碳纤维。
1980年代中期，为了适应飞机结构件强度、模量并重的需求，东丽公司开发了高强高模“MJ”系列碳纤维产品，形成了以M40J、M55J、M60J为代表的系列产品，相比于M40、M50型产品，MJ系列高模量碳纤维的拉伸强度得到优化提升，而其顶级商品之一的M60J级高模量碳纤维拉伸模量更是高达588 GPa。随后二十年里，东丽公司MJ系列碳纤维形成稳定化生产，并在航空航天、深空探测等领域获得广泛应用。
近年来，东丽公司不断加强基础研究并取得了一定的技术突破。2014年3月，在传统PAN溶液纺丝工艺基础上，公司通过对碳化过程精细化控制实现了纤维微结构如石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等纳米尺度的改善，成功开发出拉伸强度6600 MPa、拉伸模量324 GPa的T1100G碳纤维；2017年公司成功实现了T1100G产品的商业化生产，并将碳纤维拉伸强度优化提升至7000MPa，拉伸模量仍为324 GPa。该型产品研制成功的重要意义体现于它在中模量级碳纤维基础上同时实现了拉伸强度和拉伸模量的提升，比如与T800S级碳纤维相比，T1100G碳纤维拉伸强度与拉伸模量分别提升了19%、10%，这为后续研发具有高强度、高伸长特性的PAN基高模量碳纤维奠定了基础。
2018年11月，东丽公司又成功开发出拉伸强度5700 MPa、拉伸模量377 GPa的M40X新型PAN基高模量碳纤维。之所以将其称为新型高模量碳纤维，是因为该款碳纤维的拉伸强度达到了传统高模量碳纤维前所未有的新高度，特别是鉴于其显著的高强度优势，使得纤维断裂伸长率达到1.5%，从而同时具备了高强度、高模量和高伸长的特点。而M40X新型高模量碳纤维与目前广泛使用的M40J级高模量碳纤维相比，两者拉伸模量相同，但前者拉伸强度却比后者提高了29%。因而，日本东丽M40X新型高模量碳纤维的研发成功解决了长期以来碳纤维高强度、高模量和高伸长难以共存的难题。
2020年5月，东丽公司在PAN基高模量碳纤维领域再度取得新进展，开发出拉伸强度4800 MPa、拉伸模量390 GPa的高模量碳纤维。根据公司介绍，该款高模量碳纤维产品未来主要应用领域为轻型汽车零件以及工业领域。而与目前东丽公司工业领域应用为广泛的T700碳纤维相比，虽然该款碳纤维拉伸强度略有降低，但纤维拉伸模量提升了70%。在推出该新款高模量碳纤维的同时，东丽公司也配套研发出用于该型碳纤维注塑成型加工的热塑性颗粒，通过使用这些颗粒能有效地生产出具有轻量化优势和复杂结构的高刚性零件，在降低对环境影响的同时，可以大大提高成本效益。
3美国科研机构及Hexcel高模量碳纤维
除日本以外，美国部分科研机构和企业也在积极探索具有高强度、高伸长特性的PAN基高模量碳纤维关键技术研发。2015年5月，美国佐治亚理工学院采用凝胶工艺获得PAN共聚物，随后在连续碳化生产线上制备得到拉伸强度5500-5800 MPa，拉伸模量354-375 GPa的PAN基高模量碳纤维；该款纤维高强度、高模量的组合使得PAN基高模量碳纤维的力学性能达到了新的高度。
2019年3月，美国Hexcel公司在巴黎复合材料展览会上推出了商品化的HexTow? HM50型高模量碳纤维，该型碳纤维的拉伸强度5723 MPa、拉伸模量345 GPa，断裂伸长率也达到了1.5%。2020年初，在Hexcel公司新版产品目录又新增了一款HexTow? HM54型高模量碳纤维，拉伸强度4826 MPa、拉伸模量372 GPa。HM54型高模量碳纤维与日本东丽M40J级碳纤维的模量相接近，但拉伸强度提高了9%，断裂伸长率也提高到1.3%。同年8月，Hexcel公司对外宣布HexTow?HM54型高模量碳纤维被知名高尔夫球杆生产商True Temperate Sports选定来生产其新的产品HZRDUS Smoke Black RDX。
近年来国外在PAN基高模量碳纤维领域的研究重心主要是解决碳纤维高强度和高模量的性能匹配问题，通过多年的技术优势积累，日本东丽、美国Hexcel分别成功研发出M40X型、HM50型、HM54型等新型高模量碳纤维，这些兼具高强度、高模量、高伸长特性的新一代PAN基高模量碳纤维有望成为未来PAN基高模量碳纤维领域发展的重点方向，而随着纤维力学性能的不断优化提升，PAN基高模量碳纤维的断裂伸长率将可能实现进一步提高。