近日，天津工业大学绍兴柯桥研究院徐志伟教授领衔的先进纺织加工研究团队关于聚丙烯腈（PAN）纤维辐照辅助预氧化的最新研究成果《Defect Evolution and molecular transformation in Crystalline Region of Polyacrylonitrile Fibers during Irradiation-heat Pre-oxidation: Integrated Simulation and Experimental Study》，正式发表于国际期刊《Physical Chemistry Chemical Physics》，研究院为第一完成单位。PAN基碳纤维凭借高强高模的优异性能，已成为航空航天、高端制造等领域的核心材料，而预氧化作为其制备的核心环节，不仅能耗占比高达65%，过程中的微结构演化更是直接决定了最终碳纤维的性能。电子束辐照是优化预氧化工艺的重要路径，但此前辐照在PAN晶区引发的缺陷演化、分子反应机制尚不明确，尤其缺乏分子尺度的系统研究。

本研究采用分子动力学模拟与实验表征相结合的研究思路，基于ReaxFF反应力场构建PAN晶区模型，模拟不同辐照能量下的结构动态演化，同步通过电子加速器开展辐照实验，结合SAXS、FTIR等表征完成结果验证。研究系统厘清了辐照能量对PAN晶区结构的调控规律：7.5keV是PAN分子链断裂的临界能量点，该剂量下链断裂程度最剧烈，热处理后仍保持最高结构无序度；10keV高能辐照则转向交联主导，可形成稳定交联网络，在高温下实现缺陷“愈合”，有效抑制热处理过程中的热分解；同时7.5keV及以上辐照可激活氧化反应，显著降低预氧化起始温度，明确了7.5keV附近为预氧化反应活性最优的能量窗口。

图1 不同能量辐照后PAN结晶区模型分子链构象及主要交联结构的变化

这项研究首次从分子尺度完整揭示了PAN纤维辐照-热预氧化过程中，晶区缺陷演化与分子结构转变的内在机制，填补了该领域分子级动态演化研究的空白。研究成果不仅为碳纤维前驱体微结构的精准调控提供了核心理论依据，更为预氧化工艺的低耗高效升级、高性能PAN基碳纤维的制备技术突破，提供了全新的思路与实验支撑。

该团队在2025年期间以研究院为第一单位申请发明专利13项，授权5项。依托团队科研项目成果，于2025年7月成功孵化成立绍兴鉴膜新材料科技有限公司，有力推动关键技术成果向市场转化。