佐治亚理工学院合成的高强度高模量碳纤维

(图片来源：佐治亚理工学院Gary Meek)

佐治亚理工学院的一个研究小组已经开发出一项新技术，可以提高碳纤维的强度和模量。这种替代方法是基于纺织聚丙烯腈(PAN)的新方法，利用有机聚合物树脂制造碳纤维。

“通过使用凝胶纺丝技术将聚丙烯腈共聚物合成为碳纤维，我们已经开发出下一代碳纤维，与传统的溶液纺丝方法相比，表现出前所未有的强度和模量结合,”佐治亚理工学院材料科学与工程学院领导这个项目Satish Kumar教授说。此外，我们的工作表明凝胶纺丝方法提供了更大的改善途径。”

在凝胶纺丝中，溶液是首先转换成凝胶，把聚合物链结合在一起，并产生稳固的增加抗拉强度的链间力。凝胶纺丝也增加纤维的定向取向，这也增加了强度。传统的溶液纺丝技术没有中间凝胶状态，将丙烯酰胺溶液直接转化为固体纤维，与凝胶纺丝方法相比制备出的材料不太稳固。

Kumar团队合成的凝胶纺碳纤维在5.5 ~ 5.8×109 Pa(GPa)范围内被测试，拉伸模量在354 - 375 GPa范围内。“这是截至目前所报道的最高强度和模量组合的连续纤维,”Kumar说，对于短标距长度，纤维抗拉强度被测定高达12.1 GPa，对于聚丙烯腈基碳纤维，这是有史以来报道的最高抗拉强度值。

乔治亚理工大学的Satish Kumar教授和研究工程师M.G. Kamath正检查前体和加工的碳纤维。(图片来源：佐治亚理工学院Gary Meek)

更少的缺陷

据Kumar说，凝胶纺碳纤维的内部结构在纳米尺度上测量显示了更少的缺陷，与商业碳纤维如IM7相比。具体来说，凝胶纺纤维与溶液纺丝技术合成的相比，显示了较低程度的高分子链缠结。这种小数量缠结使凝胶纺丝比溶液纺丝方法需要更低浓度的聚合物。

Kumar和他的团队转换胶体纺聚合物混合到碳纤维，通过称为热解的选择性处理过程，纺聚合物逐渐被加热和拉伸。该技术消除了聚合物中大量的氢、氧、氮，剩下用于提升强度的碳。

“重要的是，经过多年的材料和工艺优化，目前溶液纺聚丙烯腈基碳纤维已经达到优异的性能，但迄今为止对于凝胶纺聚丙烯晴纤维的材料和工艺优化研究非常有限,”Kumar说，“我们相信在未来，材料和工艺优化、增强纤维圆度和溶液均匀性将进一步增加凝胶纺丝法纤维的强度和模量。

该项研究是由国防高级研究计划局(DARPA)支持的四年项目的一部分，改善碳纤维材料的强度。这项研究在期刊《Carbon》发表。