作為21世紀的先鋒材料，碳纖維憑借其輕量、高強度、耐腐蝕等優點，被廣泛應用于航空航天、汽車制造、體育器材等領域，成為引領科技發展的重要材料之一。近日，碳纖維低成本制造獲得新突破！ITA學生研發成本更低、效益更高的碳纖維制造新方法

碳纖維材料科技進步背后的新希望

碳纖維材料的密度僅為鋼的五分之一至四分之一，承載能力卻是鋼的數倍；同時，碳纖維材料耐高溫、抗氧化性能優越，常用于航空航天以及輕量化車輛制造領域。而這些優勢，得益于其獨特的化學結構。據悉，這種名為“polymethyl acrylate”（聚丙烯腈）的底物通過高溫進行處理形成碳纖維，其結構強度極高，相比傳統鋼鐵材料具有明顯優勢。

自20世紀初至今，碳纖維材料已廣泛應用于各個行業，如建筑、交通運輸、軍事、能源等多個領域。

然而，碳纖維材料的制造成本較高，這成為了制約其大規模推廣的主要瓶頸。但幸運的是，隨著等離子體氧化、微波輔助碳化等先進工藝的蓬勃發展，以及合成方法和提純技藝的創新突破，這種局面有望得到改觀。有數據顯示，近年研發的新技術使得批量生產碳纖維的成本不斷下降，并且，科學家們正在積極尋找更環保有效的制備途徑，以便更好地滿足日益增長的市場需求。

ITA學生的創新研發

據報道，亞琛工業大學紡織技術研究所（ITA）在2023年迎來兩位獲獎者:

1、在碩士論文中，ITA的碩士研究生Flavio Andre Marter Diniz開發出了比普通碳纖維薄兩到三倍的聚乙烯基碳纖維，并展示了使用聚乙烯基前驅體如何在未來將碳纖維的價格降低50%。

他的碩士論文"Investigation of the stabilisation and carbonisationprocess for the production of ultra-thin polyeth-ylene-based carbon fibres”(生產超薄聚乙烯基碳纖維的穩定化和碳化工藝研究)獲得了德國紡織機械工程最佳雙文憑/碩士論文獎，獎金為3500歐元。

2、在學士學位論文中，ITA的學士畢業生Annika Datko展示了如何利用近紅外(NIR）傳感器技術按纖維成分對廢舊紡織品進行分揀，在實驗室規模上，平均誤差僅為4%。根據纖維成分進行分揀，然后進行纖維到纖維的回收利用，是利用(廢舊)紡織纖維生產用于新產品的新纖維的最可持續的方法。

她的研究成果“Experimental analysis of the sortability of used textiles containing polyester using near-infrared spectroscopy on a laboratory and industrial scale”(利用近紅外光譜在實驗室和工業規模上對含聚酯的廢舊紡織品的可分揀性進行實驗分析）獲得了德國紡織機械協會頒發的3000歐元的最佳學士學位論文獎。

成本效益更高的碳纖維新制造方法

碳纖維因其優異的性能，經常被用于風力渦輪機和壓力容器等高增長領域。遺憾的是，由于制造成本高昂，它們的價格非常昂貴，而且供應量不足。

在碩士論文中，Flavio André Marter Diniz利用聚乙烯原絲開發一種新的、具有成本效益的高質量超薄碳纖維制造工藝。

Marter-Diniz生產了新型超薄聚乙烯基碳纖維，纖維直徑<3μm，纖維表面質量優異，沒有檢測出結構缺陷。纖維直徑比傳統的PAN基碳纖維小2-3倍。這為機械高質量的材料性能提供了基礎。同時，Marter-Diniz能夠將磺化時間減少25%。所開發的材料和技術在降低碳纖維成本的道路上樹立了重要的里程碑。使用基于PE的原絲，與傳統的PAN基的CF相比，CF的價格可以降低50%。

廢舊紡織品纖維再循環的新方法

廢l舊紡織品纖維再循環的新方法可徹底改變紡織品再循環的現狀。

目前，廢舊紡織品的分類幾乎完全依靠人工。對于目前最具可持續性的紡織品循環利用方式--纖維到纖維的循環利用來說，按照纖維成分對紡織品進行分類非常重要。這無法可靠地通過人工，即手感來完成，尤其是混紡纖維。Annika Datko采用近紅外技術對廢舊紡織品進行分類是一種新方法。近紅外傳感器技術已經成為回收塑料垃圾的最先進技術，但在紡織品分揀方面仍處于起步階段。

具體工作原理用近紅外光照射紡織品樣品。根據反射光的波長和檢測器捕捉到的光波長，就會產生一種特定材料的光譜，這種光譜就像指紋一樣。Annika Datko在其學士學位論文中比較了不同纖維成分紡織品的光譜或指紋。她證明了使用近紅外光譜可以區分不同的纖維成分，而且在實驗室范圍內平均誤差非常小，僅為4%。

"這種方法為可持續地處理堆積如山的廢舊紡織品指明了方向， "ITA主任Thomas Gries博士說。"我們的兩名學生獲得了享有盛譽的沃爾特-萊納斯獎，對此我們深感自豪。每一個獎項都彰顯了我們的教育質量。祝賀今年的兩位獲獎者! "

VDMA紡織機械協會通過Walter Reiners 基金會積極支持年輕工程師。德國紡織機械制造商基金會每年都會頒發學士、文憑和碩士贊助獎和可持續發展獎。為節約資源的產品和技術開發解決方案的學術成果有資格獲得可持續發展獎。

碳纖維材料的發展趨勢

隨著科技不斷進步，碳纖維材料的應用前景更加廣闊。目前，研究人員正在努力改善碳纖維的制備工藝，以降低生產成本，并提高材料的性能。另外，材料結構設計的創新也是未來的發展方向，通過設計層次結構的碳纖維材料，可以實現更加復雜的性能要求，并推動材料應用的廣度和深度。

此外，研究人員還在探索其他材料與碳纖維的復合應用，以進一步提高材料的性能和功能。隨著碳纖維材料技術的不斷突破，我們相信未來將會看到更多驚喜和突破。

碳纖維材料的興起和應用無疑是科技發展的一大突破，其獨特的特性和優勢為各個行業帶來了巨大的改變和發展機遇。然而，碳纖維材料仍然面臨著制備工藝復雜、成本高昂等問題。我們期待未來科技的進步，讓碳纖維材料更好地服務于人類社會，為我們的生活帶來更多便利和發展。來源：賢集網（碳纖維研習社，空天碳纖復材，行歌信息、榮格）