单向电纺聚丙烯腈基纳米碳纤维形成中微观结构演变机制的研究

纤维结构的均质化、细径化、高纯化、微晶化和高取向化是进一步提高碳纤维力学性能的研究方向，现有的碳纤维技术路线很难达到。单向连续收集电纺丝路线在克服上述技术瓶颈上具有显著优势。本研究拟以我们新近发展的新型单向连续水浴收集电纺成纤技术为基础，取代原有辊筒收集方式。以有代表性的聚丙烯腈共聚体为起始样品，系统研究单向收集电纺聚丙烯腈原丝在纺丝、牵伸、热氧稳定化、炭化过程中的结构特点，解析新型单向电纺原丝和碳纤维形成过程化学、聚集态和高次形态结构的转化规律；阐明以单向电纺PAN纤维制取高性能纳米碳纤维的形成机制与影响因素。揭示高性能碳纤维所应具有的结构特征。通过研究对影响纳米碳纤维高性能化制备过程中的关键问题有较为明确的认识，阐明以单向电纺原丝制备高性能纳米碳纤维过程中外场的作用与理想结构形成的关系；为高性能碳纤维制备提供理论依据，为获得系列自主知识产权，促进高性能纳米碳纤维关键技术的产生做出贡献。

高性能碳纤维的研发趋势要求纤维细径化、微晶化、高纯化、高取向化和结构均质化，目前碳纤维技术路线很难达到。电纺丝路线在克服上述技术瓶颈上具有显著优势。本研究以有代表性的聚丙烯腈共聚体为起始样品，以新型电纺丝成纤技术为基础，经电纺丝、预氧化、炭化过程制备新型纳米高性能碳纤维。初步研究了亚微米级直径电纺聚丙烯腈原丝的制备工艺与结构特点，解析了电纺原丝和预氧化、碳纤维形成过程的化学、聚集态结构的部分转化规律；探讨了以亚微米电纺 PAN纤维制取高性能纳米碳纤维部分形成机制与影响因素。通过对电纺法纳米碳纤维形成过程的各阶段产物的相关研究，使我们对纳米碳纤维各个层次结构的理解达到新的认识。取得了一批创新成果与自主知识产权。明晰了下一步深入研究的方向。为制取高性能纳米炭纤维提供了新的发展思路。结题时发表研究论文38 篇（计划书原定10篇），其中SCI：13篇，EI: 8 篇。获得发明专利申请9项（授权4项）（计划书原定3项），培养博士和硕士研究生 10名（计划书6-8名）。与计划书研究内容衡量高效率、高质量完成了预期任务。