聚丙烯腈基中空多孔碳纤维——材料界未来的明星

       随着碳纤维研究的不断深入，中空多孔碳纤维开始进入人们的视野。作为一种新兴的碳材料，它是在中空碳纤维和多孔碳纤维的基础上开发出来的，同时具备了二者的优异性能，保留了中空结构，在内外表层之间引入了微孔，比表面积更大，微孔丰富，活性强，质量更轻。诸多优异的物理化学特性集于一体，可应用于气体分离、水分离、生物医用、储氢、吸波和吸附等领域。制备中空多孔碳纤维的原料主要有聚丙烯腈、沥青、粘胶３种，其中聚丙烯腈基(PAN)碳纤维研究最多，应用最广，工艺技术相对成熟。

发展简史

20世纪70年代，科研人员对PAN 基中空多孔碳纤维进行了大量的研究，1977年PAN 基中空纤维专利的发表开启了这一扇大门。20世纪80年代，科研人员主要对中空纤维膜的性能如气体选择性等的影响因素进行了研究。20世纪90年代，我国研究了前驱体结构、氧化条件和活化温度等对中空活性碳纤维相关结构和性能的影响。进入21世纪，我国科学家研究了活化温度、碳化时间等条件对所得纤维表面形貌、孔隙结构和分离吸附性能的影响，对结构和性能的关系有了更深刻的了解。此外，静电纺丝技术的飞速发展，研究者借助这一手段成功得到纳米级的中空多孔PAN 纤维，进一步推动了中空多孔碳纤维的发展。

应用领域

机械球磨法作为一种制备Si-C复合材料的新技术，可以明显降低反应活化能，诱发低温化学反应，从而提高了复合材料的密实度、电/热学等性能。所以该方法的研究在新材料领域具有重要意义。有研究人员通过机械球磨法制备了Si-微球碳(MCMB)复合材料。首先通过将纳米硅和微球碳按照质量比1∶5的比例进行简单的混合，随后将其分为3组，分别进行不同时间(5h、10h、20h)的研磨，最后进行恒温干燥和高温碳化得到Si-MCMB复合材料。经过测试发现，研磨时间为10h时，电化学性能最好。主要是因为研磨时间的长短影响了微球碳的结构，要想得到电化学性能良好的硅碳复合材料，需要严格控制研磨时间。

分离吸附

PAN基中空多孔碳纤维内部为中空结构，壁上有丰富的微孔结构，具有巨大的比表面积，同时拥有较窄的孔径分布，使其在分离吸附领域有极佳的优势，可用于水分离，对印染废水的纯化，对二氧化硫和氮氧化物的脱除，以及由于纤维中氮元素的存在使其对硫醇等化合物有特殊的选择性等。此外，作为碳纤维，它具有一定的力学强度和化学稳定性，耐高温，可在恶劣环境下使用，如可用于高温气体分离、酸碱物质分离等。

生物医用材料

经过活化处理的中空多孔碳纤维表面基团相对丰富，同时孔隙结构的存在使其具有良好的抗血栓性、血液相容性和生物相容性好。而且，碳是组成生物有机体的基本元素，再加上其优异的摩擦性质和自润滑性能，在生物医用材料领域可做医用吸附剂、透析器的部件等。经水解处理后的预氧化PAN中空纤维膜具有很好的伸缩适应性，可用作人工肌肉等。

储能材料

PAN基中空多孔碳纤维因其孔隙结构发达、比表面积大和吸附速度快，可用作储能材料。使用它来做储氢材料，发现其储氢量与表面积和总孔容有很大关系，随着比表面积和总孔容的增加而增大， 在０℃、５MPa 条件下测得的最大储氢量可达1.33%(wt，质量分数)。

吸波材料

PAN 基中空多孔碳纤维内部中空且壁上孔隙发达，使得其密度大大降低，质量更轻，符合吸波材料“轻”的要求；其次，丰富的孔隙结构相当于吸波材料中的多层结构，可以增加电磁波在纤维内的反射次数，使得吸波效果提高。因而，它是一种合适的轻质吸波基底材料。研究人员以其作为吸收剂，采用模压法制备轻质雷达吸波材料，与实心碳纤维吸波材料吸波性能进行比较发现:在吸收剂含量相同时，中空多孔纤维反射率低于实心纤维，其在最低反射率值、低于一定反射率带宽、最低反射率峰位等方面较实心碳纤维吸波材料都有优势。

前景与展望

PAN 基中空多孔碳纤维虽然取得了一定的研究成果，但是从整体而言其存在一些问题，如基础理论研究还不完善、材料力学性能差和应用研究停滞不前等。针对存在的这些问题，中空多孔碳纤维未来发展方向可以从以下几个方面着手:第一，加大对基础理论的研究投入和力度，完善基础理论，从而实现从理论到实践的跨越；第二，进一步拓展应用领域，发挥其优异的性能，通过应用领域的延伸带动基础理论的发展；第三，推动材料向结构功能一体化方向发展，在未来的发展中，力学性能的提升至关重要；第四，推动材料向智能化方向前进，在满足性能要求的同时，能够对环境的变化做出响应，发展更上一层楼。总之，前路漫漫，相信在不久的将来，PAN基中空多孔碳纤维必将成为材料界一颗闪亮的明星。