1、低成本碳纤维制备的关键科学问题（东华大学）

轻质、高强、高模是材料科学永恒的主题，碳纤维复合材料是最成功的典型代表，但碳纤维的高成本限制了其大规模应用。据估计，如果碳纤维的价格在80元/公斤，那么在高速列车、城市轨道交通、航空运输、汽车、建筑、机械制造等领域将有望大规模取代钢铁，具有极大的潜在市场。因此如何降低碳纤维的成本成为世界各国政府、企业、研究机构和大学研究的重要课题。而现有碳纤维生产成本较高，主要有两方面原因：一方面来自于原丝成本，占碳纤维总成本的48-50%；另一方面在于预氧化碳化速度慢。本项目围绕降低碳纤维原丝成本和提高氧化碳化速度两个方面展开研究,设计合成结构合理的大分子链间相互作用阻断分子，采用熔体纺丝法制备聚丙烯腈（PAN）碳纤维原丝，建立改性PAN化学结构调控方法，研究低成本碳纤维制备有关机理、规律和新方法。

立项以来，本项目在分析PAN大分子链的结构及存在的相互作用力的基础上，设计并选取了具有合适化学结构的增塑剂，通过其增塑作用可以有效降低PAN熔点，实现其熔融纺丝加工的目的；同时，研究了聚丙烯腈/增塑剂体系的增塑机理、增塑熔融纺丝工艺及牵伸、萃取工艺，并将增塑熔纺PAN纤维的性能与商品化碳纤维原丝进行了对比。通过上述研究得到了圆形截面、皮芯结构差异小、结构致密、拉伸强度可达7.0 cN/dtex的熔纺PAN纤维，其性能达到甚至超过采用溶液纺丝方法生产的碳纤维原丝水平。进一步对增塑熔纺PAN纤维热性能以及预氧化过程的研究表明，增塑熔纺PAN纤维在预氧化过程中的放热得到分散，放热量明显减小，从而使得预氧化过程可得到更有效地控制，并降低预氧化工序的能耗，缩短预氧化时间。

图1 不同纺丝方法制备的PAN纤维断面SEM照片

（A）增塑熔纺；（b）湿法纺丝

图2不同纺丝方法制备的PAN纤维DSC升温曲线

（A）增塑熔纺（B-D）湿法纺丝