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Georgia Institute of Technology:凍膠紡絲技術(shù)生產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維

美國(guó)Georgia理工學(xué)院的一個(gè)研究小組開發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)，為碳纖維的強(qiáng)度和模量建立了一個(gè)新的里程碑。新技術(shù)采用凍膠紡絲技術(shù)加工聚丙烯腈(PAN)共聚物，制備碳纖維，已開發(fā)的新一代碳纖維的強(qiáng)度和模量都高于任何最新報(bào)道的連續(xù)纖維。此外，研究工作表明，凍膠紡絲方法為更好地改進(jìn)碳纖維提供了一個(gè)途徑。

在凍膠紡絲中，首先是將溶液轉(zhuǎn)化為凍膠。這種技術(shù)將聚合物鏈纏繞在一起，產(chǎn)生強(qiáng)大的鏈間作用力，以提高抗拉強(qiáng)度。凍膠紡絲也能增加纖維的定向取向，同樣也提高了強(qiáng)度。與之相比，60多年前開發(fā)的常規(guī)溶液紡絲加工，即將聚丙烯腈共聚物溶液直接轉(zhuǎn)化為固體纖維，而沒有中間的凝膠狀態(tài)，所得的材料強(qiáng)度較低。

經(jīng)測(cè)試，采用凍膠紡絲技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維的極限抗拉強(qiáng)度達(dá)5.5～5.8 GPa，拉伸模量達(dá)354～375 GPa，且在很短的長(zhǎng)度上，測(cè)得纖維的抗拉強(qiáng)度高達(dá)12.1 GPa，這一抗拉強(qiáng)度值為所報(bào)道過(guò)的聚丙烯腈基碳纖維中的最高值。納米級(jí)測(cè)量顯示，這些凍膠紡碳纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比最先進(jìn)的商業(yè)碳纖維(如IM7)缺陷更少。另外，采用凍膠紡絲的纖維比采用溶液紡絲的纖維高分子鏈纏結(jié)度更低，凍膠紡纖維的纏結(jié)數(shù)量少是由于凍膠紡絲采用的聚合物濃度比溶液紡絲法的低。

這種凍膠紡碳纖維已在Georgia理工學(xué)院的連續(xù)碳化生產(chǎn)線上生產(chǎn)。該項(xiàng)目是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)資助的980萬(wàn)美元項(xiàng)目之中的一個(gè)子項(xiàng)目，項(xiàng)目目的是提高碳纖維材料的強(qiáng)度。

孫虹 譯王依民 校