CSIRO推进碳纤维技术：更优质量、更高强度、更低成本

CSIRO碳纤维研发战略

"CSIRO工作聚焦碳纤维生产初始步骤，包括丙烯腈聚合为聚丙烯腈（PAN），以及PAN纺丝和后续加工生产更高质量、更廉价的前驱体纤维，" Abbott解释。PAN生产占碳纤维成本50%，但决定70-90%性能。"Deakin大学技术涉及碳纤维生产最终步骤，包括氧化和碳化，" 他继续说。"他们授权LeMond Composites（美国田纳西州橡树岭）的技术是快速氧化，旨在降低这些最终步骤成本。"

为实现下一代碳纤维目标，CSIRO运用一组战略工具：RAFT聚合、FLOW化学工艺和CarbonSpec计量。"目标是生产强度提升20%的航空航天级碳纤维，" Abbott说，团队希望2020年底获得初步结果。

CSIRO碳纤维团队

CSIRO拥有5,000名员工、55个站点、八个业务单元和约10亿美元预算，项目涵盖3D打印、生物聚合物、医疗植入物、智能服装、天文/太空探索等，每年涉及2800多合作伙伴。"CSIRO发明并申请专利了无线局域网，" Abbott解释，"用其收入资助其他研究。"

其55个站点之一在加州硅谷。CSIRO US连接澳大利亚研究人员与美国项目，加速太空、农业、水资源保护、山火和智慧城市等领域科学进步。目标是开放创新合作，汇聚深度研究能力和广泛现实问题经验。

"复合材料领域，CSIRO开发新树脂和加工技术，" 他继续说。"也做大量复合材料建模、工艺仿真和碳纤维性能测量。例如开发新仪器测量碳纤维横向模量，反馈改进建模仿真。"

"CSIRO与波音保持30年战略关系，" Abbott说。"2016和2017年被评为波音年度技术供应商。" CSIRO碳纤维团队还与南密西西比大学（美国密西西比州哈蒂斯堡）合作。

湿法纺丝中试线

为完成碳纤维前驱体必要研究，CSIRO首先建立自有湿法纺丝线。"全球仅少数碳纤维制造商，各自掌握秘密专利配方，" CSIRO首席执行官Dr. Larry Marshall在2017年新线发布会上解释。中试线由MAE（意大利Fiorenzuola d'Arda）定制建造，专精聚合物和纤维工艺设备。"设计如商业线但规模较小，" Abbott解释。

CSIRO博客用制作意大利面类比纺丝线工作原理。类似面团做意大利面，聚合物溶液称为dope用于纺PAN前驱体纤维。正如面团揉捏后通过模具压出长细面条，dope混合后凝固通过多孔喷丝板纺出500至12,000根单独PAN纤维——均比人发细。这些纤维经洗涤、辊牵伸、系列溶液稳定、蒸汽干燥后卷绕供碳化线在Carbon Nexus使用。

"我们花费很长时间完全理解如何制造碳纤维和前驱体原料，" Abbott说。"鲜有人愿帮我们，多靠自学。现在我们完全掌控前驱体工艺——这是关键，再与Carbon Nexus合作碳化。"

RAFT聚合技术

CSIRO应用的另一工具是其专利商业化RAFT（可逆加成-断裂链转移）技术。RAFT是精密可控自由基聚合形式，实现前所未有的聚合物组成和结构控制。尽管RAFT应用范围从新型药物递送系统到工业润滑剂和涂料，CSIRO碳纤维团队用其控制PAN聚合过程。

"常规单体聚合生成宽聚分散度——即聚合物链长度差异大，" CSIRO聚合物化学团队负责人Melissa Skidmore解释。"加入RAFT剂后，获得几乎同等长度聚合物链，分子量分布大幅收窄。仍用相同引发剂、单体和溶剂，仅添加RAFT。"

"分子量影响纺丝溶液粘度，" Skidmore说。"传统上高分子量导致前驱体纤维表面沟槽。RAFT降低dope溶液粘度，实现更高固含量。去除超高分子量聚合物可改善纤维分子取向和性能。" 她补充低分子量对纤维有增塑效应。"RAFT生产的PAN聚合物可制得更致密、均匀、结构缺陷更少的前驱体纤维。也有助加速碳化降低成本。"

"这也让我们获得复杂聚合物结构，" Skidmore注记。"RAFT允许聚合物基团进一步化学操控。" 例证是dope溶液操控凝固成纤维。"dope聚合物理想特性与凝固条件间存在微妙平衡，" 她补充。"聚合物95% PAN和5%添加剂。因RAFT聚合物行为不同，我们认为可降低部分传统添加剂，转化更高比例为高固含纤维，减少缺陷。正测试中。"

虽非当前主攻方向，RAFT在聚合中添加功能性极具吸引力。如研究如何制造高CO2吸附能力复合材料（CO2附着于复合材料分子表面）。多功能复合材料已成飞机和电动车制造商追捧目标。新型添加功能的PAN和碳纤维或成未来复合材料重要解决方案。

连续FLOW工艺

"RAFT控制聚合，FLOW控制纤维成型，" Abbott说。

FLOW将聚合从批次转为连续过程。Abbott和Skidmore解释，现用批次反应器虽成熟易建立、混合监控反应动力学高效，但需更大体积，工业规模建设昂贵。大体积批次反应器在空间和能耗上也低效。连续反应器体积小、成本低、易放大、能效高，提供优越过程控制和更好重现性。但作为专用连续线，在不同参数产品间切换灵活性较低。

也有安全和可持续性效益。"目前PAN生产环境不可持续，特别是毒性方面，" Skidmore说。"连续化聚合改善安全，因有毒、有臭、易燃反应剂被隔离并由自动设备处理。但会增加线路复杂度，需更高监控控制。" 尽管需进一步开发，Abbott看好FLOW聚合："碳纤维固有变异性，任何减少变异的举措都改善性能。"

CarbonSpec——测量以管理

CSIRO碳纤维方法最后工具是CarbonSpec。"基本是我们开发的计量学，测试生产纤维、更好理解性能-材料关系，" Pierlot解释。"测不准就改进不了。我们也能从极少量PAN和碳纤维测量中更好预测碳纤维性能。"

"碳纤维行业标准用同步加速器X射线计算机断层扫描（CT）确定纤维微观结构，" Pierlot说。（同步加速器是足球场大小粒子加速器，产生极亮X射线导向相邻束线成像等。）"在澳大利亚同步加速器束线工作人员协助下，开发了扫描单根PAN前驱体和碳纤维微观结构的新专用表征协议。可在几分钟内实现直径小至5微米单根纤维微观结构图谱。SAXS信号助理解纤维孔隙发育，WAXS信号助识别优化纤维模量关键微观结构参数。同步使用两信号，可监控优化从PAN dope到碳纤维各生产阶段力学强度和刚度。"

Pierlot指出CarbonSpec团队也开发新仪器和测试方法。"如测量横向模量和强度，除常规轴向性能外。认为开发的新法也可测量轴向压缩强度。" 后者长期是挑战，因单根碳或PAN纤维直径极小（5-10微米），难施加真实轴向压应力而不致屈曲。