石油基原料减少50%!新型木质素碳纤维迈向汽车应用
2026年10月02日
碳纤维是汽车轻量化的重要材料,但较高的制造成本,一直限制其在大规模量产车型中的应用。
近日,华盛顿大学圣路易斯分校Joshua S. Yuan团队在《Matter》发表研究,提出一种面向汽车应用的木质素/PAN碳纤维制备路线。
研究利用造纸和生物炼制行业产生的木质素替代约一半石油基聚丙烯腈(PAN),并通过取向结晶设计,提高木质素基碳纤维的强度与刚。
01木质素替代约一半PAN
目前,高性能碳纤维主要以PAN为前驱体。论文指出,PAN成本最高可占碳纤维制造成本的50%,是制约碳纤维扩大应用的重要因素。
木质素来源广泛、含碳量较高,是造纸和生物炼制过程中大量产生的副产物。以木质素替代部分PAN,有望减少石油基原料消耗,并降低碳纤维的原料成本。
但木质素分子结构不均一、取向能力较弱,加入PAN后容易造成纤维孔隙增加和晶区排列不充分,导致碳化后的力学性能下降。
因此,这项研究的重点不是简单增加木质素比例,而是解决木质素基碳纤维性能不足的问题。
02碳纳米管充当微观钢筋
研究团队在木质素/PAN前驱体中加入功能化单壁碳纳米管,即F-SWCNTs,使其充当一维结晶模板。
随后,前驱体依次经过湿法纺丝、张力辅助稳定化和高温碳化。碳纳米管能够引导碳结构沿纤维轴方向排列,并在材料内部发挥类似钢筋的增强作用。
图1:功能化单壁碳纳米管在纤维内部形成微观增强结构。
实验表明,F-SWCNTs并不是添加越多越好。
在1000℃碳化条件下,加入0.5 wt% F-SWCNTs后,碳纤维拉伸强度由约0.69 GPa提高至1.02 GPa。当添加量继续提高至1.0 wt%时,碳纳米管容易团聚,并可能造成纺丝针头堵塞和纤维结构不均匀。
在此基础上,研究团队进一步提高稳定化阶段的轴向张力,并将碳化温度提升至1500℃。最终获得的SCF-3-1500样品实现:
拉伸强度达到2.04 GPa;
弹性模量达到176 GPa;
超过论文采用的汽车用替代前驱体碳纤维目标拉伸强度1.72 GPa、弹性模量172 GPa。
图2:不同张力及碳化温度下碳纤维的形貌、拉伸强度与弹性模量,其中虚线为论文采用的汽车应用性能目标。
进一步分析显示,优化后纤维的晶区取向因子由约0.19提高至0.41,电导率由约15,775 S/m提高至53,863 S/m。
该研究表明:决定木质素基碳纤维性能的不仅是晶区数量,更重要的是晶区能否沿纤维方向有序排列。这也是该研究区别于以往木质素碳纤维研究的核心所在。
03成本和碳排放同步下降
除了材料性能,研究团队还对该路线进行了技术经济分析和生命周期评价。
根据论文模型结果,PAN基碳纤维的估算最低销售价格约为27.6美元/kg,而PAN/木质素/F-SWCNT碳纤维约为16.4美元/kg,降幅超过40%。
在常规电网情景下,其生命周期碳排放由约27.6 kg CO₂-eq/kg下降至23.6 kg CO₂-eq/kg;若稳定化与碳化过程采用可再生能源,碳排放可进一步下降至约12.9 kg CO₂-eq/kg,降幅约53%。
图3:PAN、PAN/木质素及PAN/木质素/F-SWCNT碳纤维的经济与环境表现对比。
总结
碳纤维具有高比强度和高比刚度优势,可用于车身结构、座椅骨架、车顶及覆盖件、电池包壳体等轻量化部件。但与钢、铝及玻璃纤维复合材料相比,碳纤维较高的成本限制了其在普通量产车型中的渗透。
此次研究通过木质素替代约一半PAN,在保留力学性能的同时降低原料成本和石油基原料依赖,为汽车用低成本碳纤维提供了一条新路径。
如果该工艺能够实现连续化放大,并保持稳定的纺丝质量和批次一致性,有望推动碳纤维从高端车型及小批量部件,进一步向规模化汽车轻量化应用拓展。