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

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

    項目負(fù)責(zé)人、喬治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)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(shù)將聚丙烯晴共聚物處理而成。它表現(xiàn)出與以往傳統(tǒng)的溶-紡絲方法所沒有的集強(qiáng)度和模量于一身的現(xiàn)象。而且，我們的成果也為得到更高強(qiáng)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(chǎn)生很強(qiáng)的鏈間作用力，進(jìn)而增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度。此外，凝膠紡絲也可以增加纖維的取向，同樣可以增加強(qiáng)度。相反，在已經(jīng)發(fā)展了60年的傳統(tǒng)溶膠方法中，聚丙烯腈聚合物熔融后將直接轉(zhuǎn)換成固體纖維，而沒有中間的凝膠相，所以強(qiáng)度較低。

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

    此外，Kumar強(qiáng)調(diào)，凝膠碳纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)比之目前最高技術(shù)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(xiàn)出更低的高分子鏈的纏結(jié)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(jié)道：“需要牢記的是，目前溶膠聚丙烯腈基碳纖維的性能是經(jīng)過很多年內(nèi)的材料和工藝的優(yōu)化才達(dá)到的。但是對于凝膠聚丙烯腈探險的材料和工藝優(yōu)化研究非常少。未來，我們認(rèn)為通過材料和工藝的優(yōu)化，纖維循環(huán)增強(qiáng)，熔融均勻性增加也會進(jìn)一步提高凝膠紡絲纖維的強(qiáng)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(jīng)費，旨在提高碳纖維強(qiáng)度。目前研究已發(fā)表在期刊“Carbon”上。

 

責(zé)任編輯：王元

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