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近日新方法“改造”碳纖維強度提高225%剛度高...
作者:管理員    發布于:2020-05-21 03:23:41    文字:【】【】【

近日新方法“改造”碳纖維強度提高225%剛度高出184%

幾十年來,碳纖維一直是飛機、汽車生產中使用的核心材料。如果以正確的方式制造,這些長于碳的原子的長鏈(比人的頭發細)會很輕巧、堅硬且結實,這是確保乘客在高空飛行的飛行器中安全的理想應用。

通常而言,制造碳纖維的成本都很昂貴。一組研究人員稱,一種制造碳纖維的新方法——通過向生產混合物中添加少量的石墨烯,可能有一天會導致使用這些輕質、高強度的材料來提高安全性,并降低生產汽車的成本。

研究小組結合計算機模擬和實驗室實驗發現,在生產過程中添加少量2D石墨烯既可以降低生產成本,又可以使纖維得到增強的效果。

賓夕法尼亞州立大學機械和化學工程教授阿德里·范·杜因(Adri van Duin)說:“即使碳纖維確實具有很好的功能,但按現在的碳纖維制造方式,它們也會使汽車變得更加昂貴?!薄叭绻惯@些性能更易于制造,則可以使汽車大大減輕重量,降低成本并提高安全性?!?/p>

目前,市面上碳纖維的售價約為每磅15美元。而該團隊(包括來自賓夕法尼亞州立大學,弗吉尼亞大學和橡樹嶺國家實驗室的研究人員)與行業合作伙伴Solvay和Oshkosh合作,希望通過改變復雜的生產過程,將碳纖維的價格降低到每磅5美元來實現這一目標。

較低的生產成本,無疑將幫助充分發掘碳纖維在汽車制造等領域中的潛在應用。此外,該團隊的研究可能還將有助于降低生產其他類型碳纖維的成本,其中一些碳纖維目前的售價高達每磅900美元。

賓夕法尼亞州立大學機械工程系的研究員Magorzata Kowalik表示:“目前,大多數碳纖維都是由一種稱為聚丙烯腈(或稱為PAN)的聚合物生產的,而且成本很高?!薄?PAN的價格約占碳纖維生產成本的50%左右?!?/p>

當今市場上90%的碳纖維都是用PAN來制造的,但這種聚合物的生產需要消耗大量能源。首先,PAN纖維必須加熱到200-300℃才能氧化。接下來,必須將它們加熱到1200-1600℃,才能將原子轉化為碳。最后,必須將它們加熱到2100℃,以使分子正確排列。沒有這一系列步驟,所得材料將缺乏其所需的強度和剛度。

該研究小組在最新一期的《科學進展》(Science Advances)中報告說,在該過程的第一階段添加微量的石墨烯(按重量計算,濃度僅為0.075%),這種添加劑使得碳纖維的強度比標準碳纖維高出225%、剛度比標準碳纖維高出184%。論文題為“Graphene reinforced carbon fibers”。

該團隊在幾臺超級計算機,以及計算和數據科學研究所(ICDS)的高級網絡基礎設施上,進行了一系列小型和大型計算機模擬,收集了對伴隨化學反應的觀察數據,從而研究了每種材料的特性。

MRI材料計算中心主任兼ICDS員工van Duin表示:“我們將不同規模的實驗聯系在一起,不僅表明該過程有效,而且還為我們提供了原子尺度上此類添加劑起作用的理由?!?/p>

石墨烯的扁平結構有助于在整個纖維中一致地排列PAN分子,這在生產過程中是必需的。另外,在高溫下,石墨烯邊緣具有天然的催化性能,因此“其余的PAN會在這些邊緣周圍冷凝”。

利用從這項研究中獲得的新知識,該團隊正在探索使用更便宜的前體在生產過程中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。

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