文档介绍：项目名称:
超高性能与低成本聚丙烯腈碳纤维的科学基础及共性问题研究
首席科学家:
徐坚中国科学院化学研究所
起止年限:

依托部门:
中国科学院
二、预期目标
总体目标:
在“十一五”973项目工作和成果的基础上,以新思路发展聚合、纺丝、氧化碳化及分析表征的新方法或新途径,开发PAN材料新体系、通过高性能化、低成本化、高稳定化深入系统的基础和应用基础研究,实现我基本同步,实现高性能低成本PAN碳纤维的跨越式发展。同时加强与碳纤维国家级重点实验室基地和人才建设相结合,强化基础科学问题和系统集成相结合,注重将基础性研究成果应用于工业规模制备过程中,为形成自己特色和自主知识产权的碳纤维体系和产业奠定坚实的科学技术基础,满足我国今后一段时期对碳纤维技术基础的基本需求。
五年预期目标:
以PAN纤维结构形态的精细化、完整化为主线,进行PAN原丝和碳丝结构形态控制、缺陷、界面的调控,揭示高性能PAN碳纤维聚集态形成和在复杂外场作用下各级结构形态转变及其与最终使用性能的相关性,发展监测各个转变过程所用的原位分析表征新方法,由此阐明高性能碳纤维制备过程中的基本科学问题,为制备高性能碳纤维和提高制备稳定性提供规律性的认识和途径。
研究PAN碳纤维制备过程中分子设计和结构调控的关键科学问题,高性能碳纤维规模稳定化制备提供分析方法和手段,支撑我国主要碳纤维生产企业的性能稳定化和品质均一化;突破超高强度、超高模量碳纤维实验室制备关键问题,支撑超高性能碳纤维制备技术的可持续发展;提出PAN碳纤维制备新方法、新途径,有效降低规模制备的成本,形成有中国特色的碳纤维制备体系;发展若干原位和高效的分析表征新方法,开展碳纤维表界面与失效机制研究,解决碳纤维表面结构设计及耐高温、高强度界面结合与失效机制等共性问题。
申请专利15-20项,在国内外学术期刊发表系列论文30-50篇;修订(建立)碳纤维国家检测标准或行业规范标准。将基础性研究成果或者单元研究结果在国内多家碳纤维主要企业的中试线或生产线上得到集成和实施。建立一支可协同开展科学研究的研究队伍,建设好3-5个国家级重点实验室(工程中心)。培养硕士和博士研究生、博士后30-50名;为企业培养碳纤维高级研发人员10-15名。

三、研究方案
“十二五”973项目学术思路
在继承“十一五”研究工作和成果的基础上,开展高性能化、低成本化、高稳定化的更为深入和原始创新的研究工作,在超高性能获得、高效快速制备、原位分析检测三个层面,以新思路开发PAN材料新体系,发展聚合、纺丝、氧化碳化及分析表征的新方法或新途径。
围绕超高性能PAN碳纤维的制备-结构形态-性能的相关性,监测各个转变过程所用的原位分析表征新方法,形成对高性能碳纤维制备稳定化和品质均一化的规律性认识。以PAN纤维结构形态的精细化、完整化为主线,设计原丝的各级结构、制备可控结构形态的PAN原丝和碳纤维,揭示高性能PAN碳纤维聚集态形成和在复杂外场作用下各级结构形态转变及其与最终使用性能的相关性,建立构效关系;形成自己的特色和自主知识产权的碳纤维体系奠定坚实的科学技术基础,制备高性能低成本碳纤维以满足国防和经济建设的迫切需求,实现国产PAN碳纤维的跨越式发展。
课题设置关系:
项目五年预期目标为:发展若干原位和高效的分析表征新方法,为高性能碳纤维的规模制备的稳定化提供工艺分析与技术指导;突破超高强度、超高模量碳纤维制备关键问题和稳定化的共性问题,支撑超高性能碳纤维制备技术的可持续发展;提出高性能低成本PAN碳纤维制备新方法、新途径,形成有中国特色的碳纤维制备体系;开展碳纤维表界面与失效机理研究,解决碳纤维表面结构设计与失效机制等共性问题。
由此,在超高性能获得、高效快速制备、原位检测三个层面上取得突破性进展,按照碳纤维及原丝的本体和界面性质-超高强度和超高模量化、制备成形过程中高稳定和制备高效快速化设置五个课题,形成相互关联、各有侧重的研究体系。
项目-课题设计和关联性:以纤维结构形态精细化、完整化、监测各个转变过程所用的原位分析表征方法为主链,对PAN原丝和碳丝分子结构、聚集态、石墨化形态和缺陷进行调控,揭示高性能PAN碳纤维的形成、在复杂外场作用下各级结构形态转变和与最终使用性能(力学、界面)的相关性;围绕制备条件-结构形态-性能的相关性,对原丝各级结构和纤维成形中控制速度的关键步骤进行调控,达到加快制备成形整体速度的目标,从而得到高性能和高效制备的PAN碳纤维。
预期本项目将能够明晰超高强度与超高模量PAN碳纤维制备过程中分子设计和结构调控的关键科学问题,支撑超高性能碳纤维制备技术的可持续发展;提出PAN碳纤维高效制备的新方法、新途径,突破有效降低制备成本的中试工程