聽過碳纖維的人應該對它的強度之高記憶猶新。近日喬治亞理工學院材料學院的研究團隊的一項新技術或許提供了一種新思路可以讓碳纖維的強度至少還可以提高10倍。

    這項顛覆性的新技術是基于紡紗聚丙烯腈技術的革新，被稱為是碳纖維強度和模量發展上的里程碑。

    項目負責人、喬治亞理工學院材料科學與工程學院教授Satish Kumar介紹：“這種新一代碳纖維是通過使用凝膠紡絲技術將聚丙烯晴共聚物處理而成。它表現出與以往傳統的溶-紡絲方法所沒有的集強度和模量于一身的現象。而且，我們的成果也為得到更高強度的碳纖維提供了新思路。”

    這種方法可以讓聚合物鏈快速聚集，并產生很強的鏈間作用力，進而增強抗拉強度。此外，凝膠紡絲也可以增加纖維的取向，同樣可以增加強度。相反，在已經發展了60年的傳統溶膠方法中，聚丙烯腈聚合物熔融后將直接轉換成固體纖維，而沒有中間的凝膠相，所以強度較低。

    由Kumarz制造的凝膠紡絲碳纖維的抗拉強度達到了5.5到5.8Gpa，拉伸模量在354-375Gpa之間。“這是目前已經報道的強度和模量綜合性能最高的連續纖維。而在短絲束，抗拉強度達12.1Gpa，同樣是聚丙烯腈基碳纖維中最高的。”

    此外，Kumar強調，凝膠碳纖維內部結構比之目前最高技術水平的商用碳纖維（比如IM7）的缺陷更少。而且凝膠紡絲比之溶膠紡絲表現出更低的高分子鏈的纏結量。這意味著凝膠紡絲比溶膠紡絲使用的聚合物的含量要低。

    Kumar總結道：“需要牢記的是，目前溶膠聚丙烯腈基碳纖維的性能是經過很多年內的材料和工藝的優化才達到的。但是對于凝膠聚丙烯腈探險的材料和工藝優化研究非常少。未來，我們認為通過材料和工藝的優化，纖維循環增強，熔融均勻性增加也會進一步提高凝膠紡絲纖維的強度和模量。”

    這項工作是美國國防部資助的一個項目之一。該項目為期4年，980萬美元的經費，旨在提高碳纖維強度。目前研究已發表在期刊“Carbon”上。

 

責任編輯：王元

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