弗劳恩霍夫IAP开发新一代可持续碳纤维：兼具多功能性、高性能与经济性的突破

无论是在储氢罐、电池、燃料电池还是用于屏蔽敏感电子元件——碳纤维被广泛应用于各类尖端技术领域。在波茨坦科学园，弗劳恩霍夫应用聚合物研究所（IAP）正与科特布斯-森夫滕贝格勃兰登堡工业大学合作，开发基于纤维素的新型碳纤维。这些纤维兼具结构多样性、优异的电气性能、热学性能和机械性能，同时保持可持续性优势。该项目隶属于劳西茨碳纤维实验室工厂计划，由德国联邦经济和能源部资助，并得到劳西茨经济区有限公司的大力支持。

传统碳纤维（如轻量化结构中使用的类型）通常以石油基聚合物聚丙烯腈（PAN）为原料制备。其生产工艺复杂，能耗高、资源消耗大，且会产生大量有毒副产品。另一种石油基碳纤维——沥青基碳纤维虽具备优异的导电和导热性能，但对技术要求极高，生产成本昂贵。

弗劳恩霍夫IAP正通过新一代高性能生物基可持续碳纤维应对这些挑战。该材料兼具结构可调性和性能可定制特点，同时具备显著的环境与经济优势。其应用领域远超航空航天、国防、风能或医疗等轻量化结构领域：作为电池和燃料电池组件，它们可用作兼具导电导热性与化学稳定性的功能织物；同时也堪称屏蔽敏感电子元件的理想材料。

弗劳恩霍夫应用聚合物研究所的创新方案以纤维素这一可再生原料作为前驱体（碳纤维的起始材料）。前驱体纤维可通过粘胶法、莱赛尔法等成熟工业纺丝技术，或其他替代成型方法纺制成连续长丝。木质素等添加剂（与纤维素一样源自木材）可直接掺入纺丝溶液，显著提高后续转化为碳纤维过程中的碳产率。

纤维素的核心优势在于：通过选择特定的纺丝工艺和参数，可精确控制前驱体纤维的结构，进而调控最终碳纤维的性能。这使得纤维能呈现不同的取向度、结晶度以及横截面形态（如圆形、椭圆形或分叶形）。其中分叶形横截面具有极高的比表面积，因此适用于redox 液流电池的渗透性电极或燃料电池的气体扩散层等导电多孔结构。

连续纺制的纤维素纤维随后会经过含功能性添加剂或催化剂的水浴处理。这一步骤为纤维后续热转化为碳纤维激活了材料特性。在此过程中，纤维素纤维展现出独特优势：它像海绵一样能高效吸收浴中的添加剂。弗劳恩霍夫应用聚合物研究所研发的催化剂与添加剂体系，将碳化温度降低了 1000°C 以上，不仅加速了工艺进程，还将碳产率从 15% 提升至 45%（重量占比）。

通过对碳化过程中的温度、停留时间、机械拉伸等工艺参数进行针对性优化，可获得直径远低于 4 微米的纤维。这一点对燃料电池应用尤为重要。相比之下，商用纤维的直径通常约为 7 微米。