下一代可持续碳纤维：用途广泛、高性能且经济实惠

不止于轻量化制造：碳纤维在高端高科技替代应用中的突破 传统碳纤维（例如用于轻量化制造的碳纤维）通常以石油基聚合物聚丙烯腈（PAN）为原料制成。其生产过程复杂、能耗与资源消耗大，且会产生大量有毒副产品。另一种石油衍生的沥青基碳纤维虽具备优异的导电和导热性能，但生产技术要求极高，成本也十分高昂。

弗劳恩霍夫应用聚合物研究所（Fraunhofer IAP）正通过新一代高性能碳纤维应对这些挑战 —— 这类碳纤维以生物基材料为原料，兼具可持续性。它们不仅结构多样、性能可定制，还拥有极具吸引力的环境效益与经济效益。其应用领域远超航空航天、国防、风能或医疗领域的轻量化制造：作为电池和燃料电池的组件，它们可作为导电导热、化学性质稳定的织物；同时，它们也非常适合用于敏感电子设备的屏蔽保护。

纺丝工艺与添加剂实现高可变性 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。

催化技术提升生物基碳纤维竞争力 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。

定制化高性能 —— 力学、电学与热学特性兼具 纺丝、激活与碳化技术的结合，使其能够开发出适用于广泛应用场景的定制化纤维类型。弗劳恩霍夫应用聚合物研究所的生物基碳纤维专家延斯・埃德曼博士强调：“我们的碳纤维将高技术性与可持续性融为一体：其力学性能可与石油基高模量聚丙烯腈碳纤维（即高性能碳纤维）相媲美，同时电学和热学性能接近沥青基纤维。”

劳西茨碳实验室工厂：搭建工业规模化桥梁 弗劳恩霍夫应用聚合物研究所的中试试验已证明该技术的巨大潜力 —— 目前 “劳西茨碳实验室工厂” 计划正推动这项技术实现规模化。这一新基础设施将在德国覆盖从原材料、碳纤维到技术组件的完整价值链。该计划由开姆尼茨工业大学、勃兰登堡工业大学科特布斯 - 森夫滕贝格校区的轻量化设计与增值管理研究所联合发起，是萨克森州与勃兰登堡州的跨联邦州合作项目，旨在构建全球独有的碳纤维研究基础设施，并助力劳西茨地区的产业结构转型。

可持续性与高性能兼具 —— 需求持续增长 “我们明显观察到，市场对可持续材料的兴趣在稳步上升，” 埃德曼表示，“但仅靠生态优势不足以在市场中立足 —— 经济效益同样关键。这正是我们的切入点：我们成功将生态责任、技术性能与成本效益融为一体。纤维性能的定制化与灵活适配能力，为我们开辟了新的应用领域和显著的竞争优势，这是迈向经济可行性的决定性一步。”