美科學家開發石墨烯增強碳纖維 實現成本更低更堅固的汽車材料

2023-03-31 23:08:25 2

據一個研究小組稱，製造碳纖維的新方法(通常製造成本高)可以實現輕質高強度材料的安全性，並降低生產汽車的成本。通過計算機模擬和實驗室實驗相結合，研究小組發現在生產過程中加入少量的二維石墨烯不僅降低了生產成本，而且增強了纖維的強度。

幾十年來，碳纖維一直是飛機生產的支柱。如果製造方法正確，這些碳原子長鏈(比人的頭髮還細)將會很輕、很硬、很結實，這是一種理想的應用，可以確保離地面幾英裡的飛行器上乘客的安全。

賓夕法尼亞州立大學的機械和化學工程教授阿德裡·范·杜恩說:「儘管碳纖維具有非常好的性能，但它們也使汽車以現在的方式變得更加昂貴。」「如果你能讓這些性能更容易製造，你就能讓汽車更輕，降低成本，提高安全性。」

如今，碳纖維的價格約為每磅15美元。該團隊(包括賓夕法尼亞州立大學、維吉尼亞大學和橡樹嶺國家實驗室的研究人員)正與行業合作夥伴蘇威和奧什科什合作，通過將碳纖維價格降至每磅5美元來實現這一目標。改變複雜的生產流程。降低生產成本將增加碳纖維在汽車中的潛在應用。此外，該團隊的研究可能會降低生產其他類型碳纖維的成本，其中一些碳纖維現在的成本高達每磅900美元。

賓夕法尼亞州立大學機械工程系的研究員馬佐格扎科瓦利克說:「目前，大多數碳纖維是由一種叫做聚丙烯腈或聚丙烯腈的聚合物製成的，成本非常高。」「聚丙烯腈的價格約佔碳纖維生產成本的50%。

碳纖維今天的售價約為每磅15美元。該團隊包括來自賓夕法尼亞州立大學、維吉尼亞大學和橡樹嶺國家實驗室的研究人員，他們與行業合作夥伴蘇威和奧什科什合作，希望通過改變複雜的生產工藝將價格降低到每磅5美元。較低的生產成本將增加碳纖維的潛在應用，包括在汽車中的應用。此外，該團隊的研究可能會降低生產其他類型碳纖維的成本，其中一些碳纖維目前的價格高達每磅900美元。

賓夕法尼亞州立大學機械工程系的研究員馬戈扎塔·科瓦利克說:「目前，大多數碳纖維是由聚丙烯腈聚合物製成的，成本相當高。」聚丙烯腈的價格約佔碳纖維生產成本的50%。"

今天市場上90%的碳纖維是由聚丙烯腈製成的，但是它的生產需要大量的能源。首先，聚丙烯腈纖維必須加熱到200-300攝氏度才能氧化。接下來，它們必須被加熱到1200-1600攝氏度，才能將原子轉化為碳。最後，它們必須被加熱到2100攝氏度，以使分子正確排列。如果沒有這一系列步驟，所獲得的材料將缺乏所需的強度和剛度。

該團隊在最新一期《科學進展》雜誌上報導稱，在該工藝的第一階段添加少量石墨烯(濃度僅為0.075%重量)可以分別提高碳纖維的強度和剛度225%和184%，優於傳統生產的聚丙烯腈基碳纖維。

該小組通過一系列大大小小的計算機模擬來收集化學反應信息，這些計算機模擬是在幾臺超級計算機的先進網絡基礎設施上進行的，即計算和數據科學研究所(ICDS)。他們還利用賓夕法尼亞州立大學材料研究所的實驗室研究了每種材料的特性。

核磁共振成像材料計算中心主任、ICDS的工作人員凡·杜恩說:「我們已經把不同尺度的實驗聯繫起來，這不僅表明這個過程是有效的，而且也為我們提供了一個為什麼這種添加劑在原子尺度上起作用的原因。」。"這些知識使我們能夠進一步優化過程."

石墨烯的水平組織有助於在整個纖維中均勻排列聚丙烯腈分子，這在生產過程中是必要的。此外，石墨烯邊緣在高溫下具有天然的催化性能，所以「剩餘的聚丙烯腈會在這些邊緣附近凝結，」van Duin說。

利用從這項研究中獲得的新知識，該團隊正在探索在生產過程中使用更便宜的前體進一步使用石墨烯的方法，目的是減少一個或多個生產步驟，從而進一步降低成本。