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最新石墨烯强化碳纤维可能会带来价格低廉强度更..
作者:管理员    发布于:2020-05-22 02:06:13    文字:【】【】【

最新石墨烯强化碳纤维可能会带来价格低廉强度更高的汽车材料

通常碳纤维的制造成本都很高,不过最近一组研究人员提出了一种新方法,有望降低生产成本,促使碳纤维在汽车中广泛使用。该团队通过计算机模拟和实验室验证,发现在生产过程中加入少量的二维石墨烯既降低了生产成本,又增强了纤维的强度。

几十年来,碳纤维一直是飞机生产中的主力军。如果用正确的方法制造,这些比人的头发还细的碳原子长链能同时实现重量轻、硬度高和强度大,这是在高空飞行的飞行器中保证乘客安全的完美应用。

"尽管碳纤维具有非常好的特性,但以现在制造碳纤维的方式,它们会让汽车变得更加昂贵。"宾夕法尼亚州立大学机械和化学工程教授Adri van Duin说。"如果你能让这些特性更容易制造,那么你就能让汽车变得更轻,成本更低,而且更安全。"

目前,碳纤维的售价约为每磅15美元,由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组成的团队,与行业合作伙伴Solvay和Oshkosh合作,希望通过改变复杂的生产工艺,将这一价格降低到每磅5美元。更低的生产成本将增加碳纤维的潜在应用,包括在汽车上的应用。此外,该团队的研究可能会降低其他类型的碳纤维的生产成本,有些碳纤维目前的售价高达900美元/磅。

"目前,大多数碳纤维都是用一种被称为聚丙烯腈的聚合物,也就是PAN的聚合物来生产的,它的成本相当高,"宾夕法尼亚州立大学机械工程系的研究员Magorzata Kowalik说。"PAN的价格占到了碳纤维生产成本的50%左右。"

目前市场上90%的碳纤维都是用PAN来制造,但其生产过程非常耗能。首先,PAN纤维必须加热到200-300摄氏度,使其氧化。接下来,需要将它们加热到1200-1600摄氏度,将原子转化为碳。最后,还需要将它们加热到2100摄氏度,使分子正确排列。如果没有这一系列的步骤,所得到的材料将缺乏所需的强度和硬度。

该团队在最近的《Science Advances》杂志上报道,在这一过程的第一阶段中加入微量的石墨烯,按重量计算,浓度仅为0.075%,使该团队创造出的碳纤维比传统的PAN基碳纤维强度提高了225%,硬度提高了184%。

该团队通过计算机模拟,深入了解了发生的化学反应。他们还利用宾州州立大学材料研究所(MRI)的实验室研究了每种材料的特性。

"我们将不同尺度的实验连接起来,不仅证明了这个过程是有效的,而且它给了我们一个原子尺度的原因,为什么这些类型的添加剂会起作用,"van Duin说,他也是MRI的材料计算中心主任。"这些知识使我们能够进一步优化工艺。"

石墨烯的扁平结构有助于使PAN分子在整个纤维中一致地对齐,这在生产过程中是必需的。此外,在高温下,石墨烯边缘具有天然的催化特性,因此 "PAN的其余部分会在这些边缘周围凝结,"van Duin说。

利用从这项研究中获得的新知识,该团队正在探索如何使用更便宜的前驱体在这种生产工艺中进一步使用石墨烯,目标是完全省去一个或多个生产步骤,从而进一步降低成本。

脚注信息
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