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成本大幅降低!科学家用新方法“改造”碳纤维:强度提高225%,刚度高出184%
2020-05-21 11:32 前瞻网   

几十年来,碳纤维一直是飞机、汽车生产中使用的核心材料。如果以正确的方式制造,这些长于碳的原子的长链(比人的头发细)会很轻巧、坚硬且结实,这是确保乘客在高空飞行的飞行器中安全的理想应用。

通常而言,制造碳纤维的成本都很昂贵。一组研究人员称,一种制造碳纤维的新方法——通过向生产混合物中添加少量的石墨烯,可能有一天会导致使用这些轻质、高强度的材料来提高安全性,并降低生产汽车的成本。

研究小组结合计算机模拟和实验室实验发现,在生产过程中添加少量2D石墨烯既可以降低生产成本,又可以使纤维得到增强的效果。

宾夕法尼亚州立大学机械和化学工程教授阿德里·范·杜因(Adri van Duin)说:“即使碳纤维确实具有很好的功能,但按现在的碳纤维制造方式,它们也会使汽车变得更加昂贵。”“如果使这些性能更易于制造,则可以使汽车大大减轻重量,降低成本并提高安全性。”

目前,市面上碳纤维的售价约为每磅15美元。而该团队(包括来自宾夕法尼亚州立大学,弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员)与行业合作伙伴Solvay和Oshkosh合作,希望通过改变复杂的生产过程,将碳纤维的价格降低到每磅5美元来实现这一目标。

较低的生产成本,无疑将帮助充分发掘碳纤维在汽车制造等领域中的潜在应用。此外,该团队的研究可能还将有助于降低生产其他类型碳纤维的成本,其中一些碳纤维目前的售价高达每磅900美元。

宾夕法尼亚州立大学机械工程系的研究员Magorzata Kowalik表示:“目前,大多数碳纤维都是由一种称为聚丙烯腈(或称为PAN)的聚合物生产的,而且成本很高。”“ PAN的价格约占碳纤维生产成本的50%左右。”

当今市场上90%的碳纤维都是用PAN来制造的,但这种聚合物的生产需要消耗大量能源。首先,PAN纤维必须加热到200-300℃才能氧化。接下来,必须将它们加热到1200-1600℃,才能将原子转化为碳。最后,必须将它们加热到2100℃,以使分子正确排列。没有这一系列步骤,所得材料将缺乏其所需的强度和刚度。

该研究小组在最新一期的《科学进展》(Science Advances)中报告说,在该过程的第一阶段添加微量的石墨烯(按重量计算,浓度仅为0.075%),这种添加剂使得碳纤维的强度比标准碳纤维高出225%、刚度比标准碳纤维高出184%。论文题为“Graphene reinforced carbon fibers”。

 

图1 PAN /石墨烯复合CFs的湿法纺丝工艺,微观结构和力学性能示意图。

(A)PAN /石墨烯前体纤维的制造过程示意图。(B-G)具有不同石墨烯重量百分比的碳化PAN /石墨烯复合纤维的SEM图像,(B)0.00 wt%,(C)0.01 wt%,(D)0.025 wt%,(E)0.05 wt%, (F)0.075重量%,和(G)0.1重量%。 (H和I)具有不同石墨烯浓度的碳化PAN /石墨烯CF的机械性能。

该团队在几台超级计算机,以及计算和数据科学研究所(ICDS)的高级网络基础设施上,进行了一系列小型和大型计算机模拟,收集了对伴随化学反应的观察数据,从而研究了每种材料的特性。

MRI材料计算中心主任兼ICDS员工van Duin表示:“我们将不同规模的实验联系在一起,不仅表明该过程有效,而且还为我们提供了原子尺度上此类添加剂起作用的理由。”

石墨烯的扁平结构有助于在整个纤维中一致地排列PAN分子,这在生产过程中是必需的。另外,在高温下,石墨烯边缘具有天然的催化性能,因此“其余的PAN会在这些边缘周围冷凝”。

利用从这项研究中获得的新知识,该团队正在探索使用更便宜的前体在生产过程中进一步使用石墨烯的方法,目的是减少一个或多个生产步骤,从而进一步降低成本。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考文献:https://www.sciencedaily.com/releases/2020/05/200518144847.htm

https://advances.sciencemag.org/content/6/17/eaaz4191

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责任编辑: 3976DBC

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