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最新石墨烯強化碳纖維可能會帶來價格低廉強度更..
作者:管理員    發布于:2020-05-22 02:06:13    文字:【】【】【

最新石墨烯強化碳纖維可能會帶來價格低廉強度更高的汽車材料

通常碳纖維的制造成本都很高,不過最近一組研究人員提出了一種新方法,有望降低生產成本,促使碳纖維在汽車中廣泛使用。該團隊通過計算機模擬和實驗室驗證,發現在生產過程中加入少量的二維石墨烯既降低了生產成本,又增強了纖維的強度。

幾十年來,碳纖維一直是飛機生產中的主力軍。如果用正確的方法制造,這些比人的頭發還細的碳原子長鏈能同時實現重量輕、硬度高和強度大,這是在高空飛行的飛行器中保證乘客安全的完美應用。

"盡管碳纖維具有非常好的特性,但以現在制造碳纖維的方式,它們會讓汽車變得更加昂貴。"賓夕法尼亞州立大學機械和化學工程教授Adri van Duin說。"如果你能讓這些特性更容易制造,那么你就能讓汽車變得更輕,成本更低,而且更安全。"

目前,碳纖維的售價約為每磅15美元,由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組成的團隊,與行業合作伙伴Solvay和Oshkosh合作,希望通過改變復雜的生產工藝,將這一價格降低到每磅5美元。更低的生產成本將增加碳纖維的潛在應用,包括在汽車上的應用。此外,該團隊的研究可能會降低其他類型的碳纖維的生產成本,有些碳纖維目前的售價高達900美元/磅。

"目前,大多數碳纖維都是用一種被稱為聚丙烯腈的聚合物,也就是PAN的聚合物來生產的,它的成本相當高,"賓夕法尼亞州立大學機械工程系的研究員Magorzata Kowalik說。"PAN的價格占到了碳纖維生產成本的50%左右。"

目前市場上90%的碳纖維都是用PAN來制造,但其生產過程非常耗能。首先,PAN纖維必須加熱到200-300攝氏度,使其氧化。接下來,需要將它們加熱到1200-1600攝氏度,將原子轉化為碳。最后,還需要將它們加熱到2100攝氏度,使分子正確排列。如果沒有這一系列的步驟,所得到的材料將缺乏所需的強度和硬度。

該團隊在最近的《Science Advances》雜志上報道,在這一過程的第一階段中加入微量的石墨烯,按重量計算,濃度僅為0.075%,使該團隊創造出的碳纖維比傳統的PAN基碳纖維強度提高了225%,硬度提高了184%。

該團隊通過計算機模擬,深入了解了發生的化學反應。他們還利用賓州州立大學材料研究所(MRI)的實驗室研究了每種材料的特性。

"我們將不同尺度的實驗連接起來,不僅證明了這個過程是有效的,而且它給了我們一個原子尺度的原因,為什么這些類型的添加劑會起作用,"van Duin說,他也是MRI的材料計算中心主任。"這些知識使我們能夠進一步優化工藝。"

石墨烯的扁平結構有助于使PAN分子在整個纖維中一致地對齊,這在生產過程中是必需的。此外,在高溫下,石墨烯邊緣具有天然的催化特性,因此 "PAN的其余部分會在這些邊緣周圍凝結,"van Duin說。

利用從這項研究中獲得的新知識,該團隊正在探索如何使用更便宜的前驅體在這種生產工藝中進一步使用石墨烯,目標是完全省去一個或多個生產步驟,從而進一步降低成本。

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