973项目申报书——2011CB605700-G高性能碳纤维相关重大问题的基础研究.doc

项目名称： 高性能碳纤维相关重大问题的基础研究 首席科学家： 杨玉良 复旦大学 起止年限： 2011.1至2015.8 依托部门： 教育部 上海市科委  二、预期目标 总体目标 碳纤维的生产涉及多道复杂工艺，包括聚合、纺丝、预氧化和碳化等，是一个前后高度关联的系统工程，对这一系统工程的相关基础科学问题的统筹和有机关联是解决问题的关键。本项目的总体目标是从高分子化学和物理的基本理论入手，在连续承担了两次973项目所取得的成果和经验基础上，提炼出PAN碳纤维制备过程中的相关科学问题，建立具有自主知识产权的的高性能碳纤维生产的技术路线，并实现工业化稳定生产。本项目的总体执行分两个阶段： 第一阶段（前二年）：为了理解碳纤维的基本科学问题，我们将首先针对“T300级PAN碳纤维”来开展研究工作。鉴于目前碳纤维的各种物理、机械性能离散度（CV值）大（低成本的大丝束纤维更严重），将从PAN原液的三元体系相图出发，结合模拟计算和有效的实验，制定合适的凝固工艺，以及粘弹性纺丝原液在温度场下的流变行为，从而设计合适的拉伸工艺及定制合理的喷丝组件。建立湿法纺丝中纤维的力学平衡方程和纤维的拉伸断裂力学方程，根据数字计算结果，可以作为纤维纺丝稳定性和纤维纺丝性能好坏的判据，从而对PAN基碳纤维的纺丝过程进行理论指导。 除此之外，通过对材料破坏时的力学分析基础上建立的碳纤维断裂力学模型，根据碳纤维的结构预测出模量、断裂伸长率，找出制约碳纤维性能和生产过程中最为关键的影响因素。还可以预先设计出特定的结构，为进一步开发T700以上级提供理论的依据，摆脱目前材料开发中存在的盲目性。通过开展这些研究，达到自如地控制产品的CV 值，使产品性能达到或超过国际先进产品的性能。 在此阶段，我们的目标是，在形成一批具有我国独立知识产权的成果的同时，在本专业的国际一流刊物上发表高水平的研究论文。 第二阶段（后三年）：在前两年的研究基础上，进一步聚焦研究方向，浓缩课题。集中财力、人力和物力就本项目中已经有所突破的理论课题及其应用进行联合研究，以期对我国的高分子产业发展产生实质性的推动，并在一些重大的前沿基础研究领域形成在国际上有重要影响的、起带头作用的研究方向。在这个阶段，我们期望要建立衣糠酸的含量、活化程度、序列分布和预氧化反应的关系，通过调控聚丙烯腈链结构达到降低预氧化起始温度，使预氧化平稳进行。这个阶段的重点将在PAN碳纤维的高性能化、低成本方面下功夫。理由在于：我国目前T700以上级碳纤维主要依靠进口，然而由于这些碳纤维在军事上的大量应用，日本、美国等已停止出口碳纤维并对相关技术进行封锁。我们希望，经过本项目的实施，使得中国石化在PAN碳纤维方面占领我国的高端市场。 五年预期目标 通过本项目的实施，我们预期将实现相当于T300水平的年产3000吨碳纤维的生产（拉伸强度≧3.5GPa,CV≦5%），实现T700以上级的量产（拉伸强度≧5.5GPa,CV≦5%）。至少提供“PAN原丝生产工艺”和“高性能PAN碳纤维制备工艺”两大类专用技术。主要包括： (1) 为高性能碳纤维制备过程中的关键科学问题提供理论基础，为我国碳纤维材料工业发展提供关键技术。 (2) 结合纺丝和碳纤维的热稳定化工艺，在高分子共聚物链结构设计、高分子多元体系相分离及形态演化、流变学、耦合复杂化学反应的纤维拉伸过程、纤维的结构物理等基础理论研究方面发表有重要影响的研究论文，涉及以下几个方面： 满足高性能碳纤维要求的聚丙烯腈设计与调控方法； 适合大丝束纺丝的纺丝喷头设计； 基于相分离和双扩散动力学的聚丙烯腈纺丝原液的凝固理论； 基于Griffith断裂机理的碳纤维结构强度理论； 丙烯腈原液的流变学及其温度场的调控； 耦合了各种化学反应的纤维拉伸过程中的张力调控。 (3) 产生一批具体成果和专利 本项目将研究重点放在制备高性能PAN碳纤维的关键科学问题及技术上，力争能对PAN共聚物的链结构的调控上有所突破，对PAN共聚物中衣糠酸的分布均匀性方面能够自如地控制。在此基础上，进一步和工艺与工程研究结合，进行工业应用，开发出具有我国自主知识产权的新技术和新的高性能PAN碳纤维的PAN共聚物。 (4) 增强学术界与企业界的联系 通过本项目的研究，除了获得一些基础研究和新材料开发的成果外，我们预期还能起到联络学术界和企业界的关系，改变高校及研究所科研人员的观念，通过市场和国家需求来调整学术界的科研方向。我们连续两次973项目的成功经验表明，由企业提出技术需求，由高校和研究所的科研人员抽提其间的关键科学问题，并由学术界和工业界共同进行研究，再以企业为主体实现产业化过程的研发模式，必能从基础研究汲取不竭的创新思想，这一点对碳纤维及其复合材料的研究及产业化尤为重要。 (5) 培养一支从事碳纤维及高分子材料基