一项新技术或许提供了一种新思路可以让碳纤维的强度至少还可以提高10倍

摘要

乔治亚理工学院材料学院的研究团队开发了一种新技术，通过凝胶纺丝技术处理聚丙烯晴共聚物，制造出强度至少提高10倍的新型碳纤维。这种碳纤维的抗拉强度和模量达到目前报道的最高水平，且内部缺陷更少，使用的聚合物含量更低。该研究由美国国防部资助，有望通过材料和工艺优化进一步提高凝胶纺丝纤维的性能。

正文

听过碳纤维的人应该对它的强度之高记忆犹新。近日乔治亚理工学院材料学院的研究团队的一项新技术或许提供了一种新思路可以让碳纤维的强度至少还可以提高10倍。

这项颠覆性的新技术是基于纺纱聚丙烯腈技术的革新，被称为是碳纤维强度和模量发展上的里程碑。

项目负责人、乔治亚理工学院材料科学与工程学院教授Satish Kumar介绍：“这种新一代碳纤维是通过使用凝胶纺丝技术将聚丙烯晴共聚物处理而成。它表现出与以往传统的溶-纺丝方法所没有的集强度和模量于一身的现象。而且，我们的成果也为得到更高强度的碳纤维提供了新思路。”

这种方法可以让聚合物链快速聚集，并产生很强的链间作用力，进而增强抗拉强度。此外，凝胶纺丝也可以增加纤维的取向，同样可以增加强度。相反，在已经发展了60年的传统溶胶方法中，聚丙烯腈聚合物熔融后将直接转换成固体纤维，而没有中间的凝胶相，所以强度较低。

由Kumarz制造的凝胶纺丝碳纤维的抗拉强度达到了5.5到5.8Gpa，拉伸模量在354-375Gpa之间。“这是目前已经报道的强度和模量综合性能最高的连续纤维。而在短丝束，抗拉强度达12.1Gpa，同样是聚丙烯腈基碳纤维中最高的。”

此外，Kumar强调，凝胶碳纤维内部结构比之目前最高技术水平的商用碳纤维（比如IM7）的缺陷更少。而且凝胶纺丝比之溶胶纺丝表现出更低的高分子链的缠结量。这意味着凝胶纺丝比溶胶纺丝使用的聚合物的含量要低。

Kumar总结道：“需要牢记的是，目前溶胶聚丙烯腈基碳纤维的性能是经过很多年内的材料和工艺的优化才达到的。但是对于凝胶聚丙烯腈探险的材料和工艺优化研究非常少。未来，我们认为通过材料和工艺的优化，纤维循环增强，熔融均匀性增加也会进一步提高凝胶纺丝纤维的强度和模量。”

这项工作是美国国防部资助的一个项目之一。该项目为期4年，980万美元的经费，旨在提高碳纤维强度。目前研究已发表在期刊“Carbon”上。

声明：部分文章和图片来源于网络