01 背景

高性能碳纤维广泛用于汽车、风电、航空航天和轻量化结构，但商业产品几乎全部依赖石油基聚丙烯腈（PAN）前驱体。

PAN 占碳纤维总制造成本最高可达 50%，是碳纤维只能用于高端产品的直接原因。木质素来源丰富、芳香碳含量高，是制浆与生物炼制产业的大宗副产物，长期被视为替代 PAN 的可再生原料选项。

把木质素掺进 PAN 的难度在于结构：木质素本身非晶性强、分子结构不均一，掺入后会加剧纺丝原液的相容性问题、纤维致密性下降，碳化后晶区数量和力学性能同步走低。

过去的研究主要沿“提高结晶含量”这一条路推进——调节木质素分子量、β-O-4 含量、羟基官能度和 PAN/木质素相容性，但工业可放大的湿法纺丝木质素碳纤维始终未能同时达到 DOE 的两项指标。

02 成果

[生物基科技] 9月10日，华盛顿大学圣路易斯分校 Joshua S. Yuan 团队在《Matter》在线发表论文，报道了一种面向可再生木质素基碳纤维的"取向结晶"设计策略。相关论文以“Transforming renewable carbon fiber performance, economics, and sustainability via oriented crystallization design”为题。

团队以功能化单壁碳纳米管为一维结晶模板，配合湿法纺丝、稳定化阶段轴向张力和 1500 ℃ 碳化，优化样品 SCF-3-1500 的拉伸强度达到 2.04 GPa、弹性模量达到 176 GPa，首次使工业相关湿法纺丝木质素基碳纤维同时跨过美国能源部（DOE）汽车用替代前驱体碳纤维的 1.72 GPa 强度与 172 GPa 模量指标。技术经济与生命周期评估表明该路径兼具成本竞争力（较PAN基降低40%以上）与显著减碳效益（可再生能源情景下降幅达53%）。

Yuan 团队此前已在木质素碳纤维方向有过积累——2022 年该团队在《Matter》报道过高分子量酯化连接木质素（HiMWELL）的设计思路，通过改造木质素本身的结构与分子量分布来改善与 PAN 的相容性。与之形成对照的是，本次工作不再改动木质素，而是在加工端引入一维模板，并把"晶区取向"确立为可量化的设计参数。

03 研究进展

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