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美国科学家开发石墨烯增强碳纤维,以获得更低的成本和更强的汽车材料

2020-05-22 17:08:12 来源:文章来源与网络

一个小组认为,一种通常成本较高的制造碳纤维的新方法,可以使轻质、高强度材料安全,并降低汽车生产成本。通过计算机模拟和实验室实验相结合的方法,研究小组发现,在生产过程中添加少量石墨烯不仅降低了生产成本,而且提高了纤维的强度。

几十年来,碳纤维一直是飞机生产的支柱。如果用正确的方式制造,这些碳原子的长链(比人的头发还要薄)将是轻巧、坚硬和坚固的,这对于确保在距地面数英里的高空飞行的车辆的乘客安全是理想的。

宾夕法尼亚州立大学(PennStateUniversity)机械和化学工程学教授阿德里·范杜因(AdriVanDuin)说:碳纤维虽然性能很好,但也可以使汽车以如今碳纤维的方式变得更贵。如果你让这些性能更容易制造,你就可以使汽车变得更轻、成本更低、安全性更高。

今天,碳纤维的价格约为每磅15美元,研究小组包括宾州州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员,与行业伙伴Solvay和Oshkosh合作,将碳纤维价格降至每磅5美元。改变复杂的生产过程。降低生产成本将增加碳纤维在汽车上的潜在应用。此外,该研究小组的研究可以降低生产其他类型碳纤维的成本,其中一些碳纤维现在的售价高达每磅900美元。

宾夕法尼亚州立大学机械工程系研究员Magorzatakowalik说:目前,大多数碳纤维是由一种叫做聚丙烯酸或聚丙烯腈的聚合物制成的,而且成本很高。聚丙烯腈的价格约占碳纤维生产成本的50%。

今天碳纤维的售价约为每磅15美元,研究小组成员包括宾州州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员,他们与行业伙伴索尔维尔和橡树科切合作,通过改变复杂的生产工艺,将价格降至每磅5美元。较低的生产成本将增加碳纤维的潜在用途,包括在汽车中。此外,该研究小组的研究还可以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研究员Magorzatakowalik说:目前大多数碳纤维都是由聚丙烯酸(PAN)聚合物制成的,而且价格昂贵。聚丙烯酸酯的价格约占碳纤维生产成本的50%。

目前市场上90%的碳纤维都是聚丙烯酸纤维,但生产需要大量能源。首先,聚丙烯纤维必须加热到200至300摄氏度才能氧化;其次,必须加热到1200至1600摄氏度,才能将原子转化为碳。最后,它们必须加热到2100摄氏度,这样分子才能正确排列。如果没有这一系列步骤,所产生的材料将缺乏所需的强度和硬度。

在最新一期的科学进步中,研究小组报告说,在工艺的第一阶段添加少量石墨烯(重量为0.075%),可使碳纤维的强度和硬度分别提高225%和184%,比传统的聚丙烯碳纤维好。

研究小组通过一系列小型和大型计算机模拟收集了关于几个超级计算机、计算和数据科学研究所(InstitutefortationalandDataScience,ICDS)的先进网络基础设施的化学反应信息。他们还利用宾州州立大学材料研究所的(MRI)实验室对每种材料的性能进行了研究。

MRI材料计算中心主任和ICDS的工作人员Vanduin说:我们已经将不同尺寸的实验联系起来,不仅证明了这个过程是有效的,而且还为我们提供了为什么这些添加剂在原子尺度上起作用的理由。这一知识使我们能够进一步优化这一过程。

Vanduin说:石墨烯的扁平结构有助于将聚丙烯酸分子均匀地排列在整个纤维中,这在生产过程中是必不可少的。此外,石墨烯的边缘在高温下具有天然的催化性能,因此聚腈的其余部分在这些边缘周围凝聚。

利用这项研究获得的新知识,研究小组正在探索在使用廉价前体的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。

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