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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%

几十年来,碳纤维一直是飞机、轿车出产中运用的中心资料。假如以正确的办法制作,这些善于碳的原子的长链(比人的头发细)会很轻盈、坚固且健壮,这是保证乘客在高空飞翔的飞翔器中安全的抱负运用。

一般而言,制作碳纤维的本钱都很贵重。一组研讨人员称,一种制作碳纤维的新办法——经过向出产混合物中增加少数的石墨烯,或许有一天会导致运用这些轻质、高强度的资料来进步安全性,并下降出产轿车的本钱。

石墨烯

研讨小组结合核算机模仿和试验室试验发现,在出产进程中增加少数2D石墨烯既可以下降出产本钱,又可以使纤维得到增强的作用。

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:“即便碳纤维的确具有很好的功用,但按现在的碳纤维制作办法,它们也会使轿车变得愈加贵重。”“假如使这些功能更易于制作,则可以使轿车大大减轻分量,下降本钱并进步安全性。”

现在,市面上碳纤维的价格约为每磅15美元。而该团队(包含来自宾夕法尼亚州立大学,弗吉尼亚大学和橡树岭国家试验室的研讨人员)与职业协作伙伴Solvay和Oshkosh协作,期望经过改动杂乱的出产进程,将碳纤维的价格下降到每磅5美元来完成这一方针。

较低的出产本钱,无疑将协助充沛开掘碳纤维在轿车制作等领域中的潜在运用。此外,该团队的研讨或许还将有助于下降出产其他类型碳纤维的本钱,其间一些碳纤维现在的价格高达每磅900美元。

宾夕法尼亚州立大学机械工程系的研讨员Magorzata Kowalik标明:“现在,大多数碳纤维都是由一种称为聚丙烯腈(或称为PAN)的聚合物出产的,并且本钱很高。”“ PAN的价格约占碳纤维出产本钱的50%左右。”

当今市场上90%的碳纤维都是用PAN来制作的,但这种聚合物的出产需求耗费很多动力。首要,PAN纤维有必要加热到200-300℃才干氧化。接下来,有必要将它们加热到1200-1600℃,才干将原子转化为碳。最终,有必要将它们加热到2100℃,以使分子正确摆放。没有这一系列进程,所得资料将缺少其所需的强度和刚度。

该研讨小组在最新一期的《科学发展》(Science Advances)中陈述说,在该进程的第一阶段增加微量的石墨烯(按分量核算,浓度仅为0.075%),这种增加剂使得碳纤维的强度比规范碳纤维高出225%、刚度比规范碳纤维高出184%。论文题为“Graphene reinforced carbon fibers”。

石墨烯-碳纤维

石墨烯

图1 PAN /石墨烯复合CFs的湿法纺丝工艺,微观结构和力学功能示意图。

(A)PAN /石墨烯前体纤维的制作进程示意图。(B-G)具有不同石墨烯分量百分比的碳化PAN /石墨烯复合纤维的SEM图画,(B)0.00 wt%,(C)0.01 wt%,(D)0.025 wt%,(E)0.05 wt%, (F)0.075分量%,和(G)0.1分量%。 (H和I)具有不同石墨烯浓度的碳化PAN /石墨烯CF的机械功能。

该团队在几台超级核算机,以及核算和数据科学研讨所(ICDS)的高档网络基础设施上,进行了一系列小型和大型核算机模仿,收集了对随同化学反应的调查数据,然后研讨了每种资料的特性。

MRI资料核算中心主任兼ICDS职工van Duin标明:“咱们将不同规划的试验联络在一起,不只标明该进程有用,并且还为咱们供给了原子尺度上此类增加剂起作用的理由。” 

石墨烯的扁平结构有助于在整个纤维中一致地摆放PAN分子,这在出产进程中是必需的。别的,在高温下,石墨烯边际具有天然的催化功能,因而“其他的PAN会在这些边际周围冷凝”。

运用从这项研讨中取得的新知识,该团队正在探究运用更廉价的前体在出产进程中进一步运用石墨烯的办法,意图是削减一个或多个出产进程,然后进一步下降本钱。

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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