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碳纤维材料最新科技动态

碳纤维是一种由有机纤维（如聚丙烯腈）经过碳化处理制成的高性能增强材料，以其轻质、高强度、高刚性和出色的耐化学腐蚀性而著称。碳纤维通常用于航空航天、汽车、体育器材和建筑加固等行业，因其优异的力学性能和轻量化特性，成为现代工业中不可或缺的关键材料。本期内容基于文献和资讯展示了碳纤维领域最新进展。

前沿研究

1. 利用煤直接液化的煤提取物生产中相沥青基高性能碳纤维

研究标题：Mesophase pitch-based high performance carbon fiber production using coal extracts from mild direct coal liquefaction

发表刊物：Carbon（2024-6）

研究团队：肯塔基大学，Thompson Christina，Frank, George等

研究内容：在催化裂化液中对春田煤进行轻度直接液化（自压、无催化剂、无H气体），可有效生产可纺中间相沥青的煤提前体。这表明，煤提取物可以通过热处理，在一个简单的一步过程中获得中间相沥青，绕过中间各向同性沥青的生产。此外，在初始浆料中添加25wt.%的煤可以使中间相沥青的产率提高近两倍，碳纤维的产率提高约70%。采用熔融纺丝和热处理法制备了具有石墨织构、高模量(>400 GPa)、抗拉强度可达943MPa的中间相沥青碳纤维。总体而言，通过相对简单的处理，可以有效地利用煤来显著提高流体催化裂化渣油的中间相沥青和碳纤维产量，同时保留作为高性能碳纤维和潜在的其他高价值石墨产品的前体的效用。

2. 石墨-碳纤维双层电极电化学锂化应力模型研究

研究标题：Study on electrochemical lithiation stress model of graphite-carbon fiber bilayer electrode

发表刊物：Carbon（2024-6）

研究团队：大连理工大学，雷振坤等

研究内容：超薄碳纤维增强复合材料在单轴应力作用下的优异力学性能已得到广泛认可。但在实际应用中复合材料结构往往要承受多轴载荷。因此，本研究重点研究了超薄层碳纤维增强复合材料在双轴应力条件下的力学性能。首先，设计了复合材料十字形双轴试样的几何结构，并论证了其合理性。随后，对拟各向同性层合板制备厚度分别为24μm和100μm的十字形双轴试件，进行应力比分别为0:1、1:1和2:1的双轴拉伸实验。最后，对试样的断口形貌和声发射信号进行分析，揭示复合材料在双轴应力条件下的破坏机制。结果表明，超薄层碳纤维增强复合材料在双轴应力作用下表现出更高的相互作用程度，抑制分层的能力更强。

3. 用于锌离子混合超级电容器的PVP/PAN衍生多孔碳纤维

研究标题：PVP/PAN-derived porous carbon fiber for zinc-ion hybrid supercapacitors

发表刊物：Rare Metals（2024-6）

研究团队：济南大学，Yang, Shu-Hua；Cao, Bing-Qiang等

研究内容：多孔碳纤维具有活性位点丰富、导电性好、物理化学性质稳定等优点，是锌离子杂化超级电容器（ZHS）极具发展前景的阴极材料。然而，设计一种合适的制备技术来调节碳纤维的微观结构仍然是一个巨大的挑战。通过聚乙烯吡咯烷酮/聚丙烯腈（PVP/PAN）共混电纺丝和水热选择性PVP去除策略开发了一种PVP/PAN衍生的多孔碳纤维。水热选择性去除PVP策略可以有效地避免PVP与PAN在传统大气稳定过程中的交联。在PVP/PAN衍生的多孔碳纤维中，足够的微孔为Zn2+的储存提供了充足的空间，而适当的介孔有助于离子的快速转移。这些层次化的多孔结构赋予了ZHS高比容量和高速率性能。

4. 热固性碳纤维增强聚合物的催化回收

研究标题：Catalytic Recycling of Thermoset Carbon Fiber-Reinforced Polymers

发表刊物：ACS Sustainable Chemistry & Engineering（2024-5）

研究团队：德国克劳斯塔尔工业大学，Bremser, Wolfgang等

研究内容：研究提出了一种一步法催化化学溶剂分解技术，用于回收由预浸料制备的碳纤维增强聚合物。该技术采用 Al(NO)·9HO 作为催化剂和DMAc作为溶剂，有效从环氧胺固化复合材料中回收碳纤维。DMAc首先渗透并膨胀固化环氧，随后催化剂在硝酸根离子的协同作用下断裂C-N键，释放碳纤维。经过实验确定，在160°C下使用20%浓度的 Al(NO)·9HO 处理5小时，可获得无表面损伤的高降解率碳纤维。回收的碳纤维保持了原始的机械和化学性能。此外，回收的环氧树脂被再利用为共硬化剂或共粘合剂，制备新的固化基质系统，并通过拉伸和DSC测试评估了其性能。回收的溶剂也显示出与初始溶剂相同的性能，适合重复使用。这一方法为碳纤维增强聚合物的可持续回收提供了有效途径。

技术研究

基于2019-2023年期间碳纤维领域高被引论文群，该领域的最新研究不仅聚焦于碳纤维生产制备技术，也投射于汽车材料轻量化、3D打印、发电材料等更广泛领域的应用。

2019-2023年全球碳纤维领域技术研究

  来源：ESI Research Fronts

产品应用

1. 全球首列商用碳纤维地铁列车在青岛正式发布，年内将投入载客

6月26日，全球首列用于商业化运营的碳纤维地铁列车“CETROVO 1.0”碳星快轨”在青岛正式发布。该列车由中车四方股份公司联合青岛地铁集团为青岛地铁1号线研制，该车较传统地铁车辆减重11%，具有更轻更节能等显著优势，引领地铁列车实现全新绿色升级。传统地铁车辆主要采用钢、铝合金等金属材料，受制于材料特性，面临减重瓶颈。碳纤维因具有轻质、高强度、抗疲劳、耐腐蚀等优点，被称为“新材料之王”，它的强度是钢铁的5倍以上，但重量不到钢铁的1/4，是轨道车辆轻量化的绝佳材料。

2. Nexa3D推出Xyon碳纤维填充聚合物

6月26日消息，Nexa3D为其新收购的高速挤压增材制造平台推出了Xyon高级碳纤维填充聚合物3D打印长丝。Nexa3D推出的Xyon材料承诺以更经济的成本实现与市场竞争对手相同的强大性能。Xyon 的主要特点包括耐用性和可靠性，具有"极高的成本效益"，可在现有打印参数范围内工作，确保广泛的兼容性、易于集成。

3. 上海石化碳纤维成功制造131米风电叶片

日前，由上海石化生产的48K大丝束碳纤维风电专用料，被三一重能公司成功制造成131米全球最长的陆上风电叶片。该叶片力学性能优异，凸显出大丝束碳纤维风电专用料在助力大型化风电叶片减重和性能提升等方面的显著优势，应用前景十分广阔。

4. UBC沥青衍生碳纤维项目接近商业化

不列颠哥伦比亚大学（UBC）的一个项目从沥青中提炼出两种碳纤维，目前这一项目正在致力于实现该技术的商业化。未来的应用可能包括电池外壳的电磁屏蔽、阳极导电丝、3D打印碳纤维加固组件，以及用于结构复合材料的更高强度和刚度的多丝纱线。

5. 现代汽车集团与东丽达成战略合作，将在出行产品中使用创新材料

4月18日，韩国汽车制造商现代汽车集团宣布，其已经与日本化学巨头东丽签订一份协议。双方达成战略合作伙伴关系，将在未来的出行产品中使用碳纤维和其他创新型材料。现代汽车集团表示，根据协议，现代汽车集团和东丽计划共同研发碳纤维增强塑料和其他轻质材料，以提高出行产品的性能和安全性。合作双方旨在将新材料积极应用到未来的出行产品中，并通过在出行领域实现差异化竞争力，引领移动出行产业的创新。

（中国化工信息网 ）

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