不列颠哥伦比亚大学温哥华校区的一组研究人员开发了一种方法，可以将沥青质（沥青加工的副产品）转化为许多其他材料的碳纤维替代品。

关键的创新在于碳纤维制造的第一步，即纺丝工艺。纺丝碳纤维最常见的方法是通过称为溶液纺丝或熔体纺丝的工艺，该工艺可生产微米尺寸的纤维。聚合物共混物熔化并通过称为喷丝板的装置中的小孔挤出。当材料接触下游的空气或液体时，它会固化成纤维，像纱球一样缠绕，然后用于制造碳纤维。

UBC 团队开发了一种独特的方法，利用静电纺丝制造沥青碳纤维。电荷从聚合物液体溶液中拉出纤维，产生直径约为 500 纳米的亚微米纤维。这些纤维非常适合超级电容器和无质量或结构电池等储能应用。

碳纤维的应用和性能尚无标准。每种配方和制造工艺都会产生不同的结果。例如，在电动汽车中，传统的熔纺碳纤维可用于构建车辆的承载结构，电纺纤维可用于能量存储，以取代笨重的电池。

“熔体纺丝生产出传统几何形状的微米级纤维，尺寸为 7 至 10 微米，”UBC 材料工程系助理教授 Yasmine Abdin 说道。“这些通常用于结构应用，例如汽车零部件的车辆结构。” 她的团队是参加 Alberta Innovates碳纤维挑战赛

的北美 20 支团队之一（CFGC）。目标是开发使用沥青质作为配方中的基础材料的各种碳纤维产品的商业制造方法。

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竞赛分为三个阶段。“第一阶段是概念验证，看看我们是否可以用沥青质纺成纤维，”阿布丁说。“然后在第二阶段，我们致力于优化这些纤维。我们非常集中和专注，并成功开发了多种纺丝纤维技术。在目前正在进行的第三阶段，我们希望确保我们的纤维性能在大生产率下可靠且一致。第三阶段完成后，我们正在考虑全面商业化。”

用于航空航天、国防和类似应用的传统碳纤维生产需要满足非常高的性能要求，但这是一个小而昂贵的市场。“我们正在考虑将低成本电纺碳纤维用于汽车和体育用品等大规模生产市场，”阿布丁说。

在艾伯塔省，油砂是一种天然存在的石化产品，模仿室温下冷糖蜜的粒状版本。它由沙子、粘土、矿物质、水和沥青（一种致密且粘稠的石油形式）组成。通过 1926 年开发的热水分离工艺，经过数十年的完善，沥青与其他材料分离并运输到炼油设施。为了降低沥青的粘性并易于运输，首先将沥青质除去并丢弃。虽然沥青质在建筑材料中有一些用途，但供应远远超过需求。

碳纤维具有高强度重量比、高耐化学性和耐高温性，是金属或玻璃纤维的绝佳制造替代品。碳纤维生产最常见的原材料是聚丙烯腈（PAN），这是一种昂贵的合成树脂。PAN 基碳纤维的制造过程成本高昂，因此将生产推向航空航天等利基市场，在这些市场中，更坚固、更轻的材料所带来的好处超过了高成本。

传统的碳纤维生产包括四个步骤：纺丝以形成纤维，稳定化以在高达 570 °F (300 °C) 的空气中预热和拉伸纤维，碳化通过用氮气或氩气将纤维加热至 3,090 °F (1,700 °C），然后石墨化，用氮气或氩气第三次将纤维加热至 5,070 °F (2,800 °C)。

使用油砂副产品商业化生产电纺碳纤维将极大地扩展碳纤维材料的特性、性能和潜在应用。特别是在汽车行业，使用这种新型碳纤维来减轻电动汽车的重量将提高性能，延长行驶里程，并促进电动汽车的采用。

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