美科学家开发石墨烯增强碳纤维 实现成本更低更坚固的汽车材料

放大  缩小 日期:2020-05-20     作者:本站原创    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:  【汽车碳纤维】据一个研究小组称,一种制造碳纤维的新方法(通常制造成本很高)可能会实现轻质、高强度的材料的安全性并降低生产汽车的成本。通过计算机模拟和实验室实验的结合,研究小组发现,在生产过程中加入
  【汽车碳纤维】据一个研究小组称,一种制造碳纤维的新方法(通常制造成本很高)可能会实现轻质、高强度的材料的安全性并降低生产汽车的成本。通过计算机模拟和实验室实验的结合,研究小组发现,在生产过程中加入少量的2-D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的支柱。如果以正确的方式制造,这些碳原子的长链(比人的头发细)将轻巧、坚硬且结实,这是确保乘客在离地数英里高空飞行车辆中安全的理想应用。
  
  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:“尽管碳纤维的特性非常好,但按现在的碳纤维制造方式,它们也会使汽车变得更加昂贵。”“如果使这些性能更易于制造,则可以使汽车轻得多、降低成本并提高安全性。”
  
  如今,碳纤维的售价约为每磅15美元,该团队(包括来自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)与行业合作伙伴Solvay和Oshkosh合作,希望通过将碳纤维的价格降低到每磅5美元来实现这一目标。改变复杂的生产过程。较低的生产成本将增加碳纤维在汽车中的潜在应用。此外,该团队的研究可能会降低生产其他类型碳纤维的成本,其中一些碳纤维如今的售价高达每磅900美元。
  
  宾夕法尼亚州立大学机械工程系的研究员MałgorzataKowalik说:“目前,大多数碳纤维都是由一种称为聚丙烯腈或PAN的聚合物生产的,而且成本很高。” “ PAN的价格约占碳纤维生产成本的50%。
  
  碳纤维今天的售价约为每磅15美元,该团队包括来自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,与行业合作伙伴索尔维和奥什科什合作,希望通过改变复杂的生产工艺,将价格降到每磅5美元。较低的生产成本将增加碳纤维的潜在应用,包括在汽车上。此外,该团队的研究可能会降低生产其他类型碳纤维的成本,其中一些碳纤维今天的售价高达每磅900美元。
  
  宾夕法尼亚州立大学机械工程系研究员Małgorzata Kowalik说:“目前大多数碳纤维是由聚丙烯腈(PAN)聚合物制成的,而且成本相当高。”聚丙烯腈的价格约占碳纤维生产成本的50%。”
  
  当今市场上90%的碳纤维由聚丙烯腈制造,但其生产需要大量能源。首先,聚丙烯腈纤维必须加热到200-300摄氏度才能氧化。接下来,必须将它们加热到1,200-1,600摄氏度,才能将原子转化为碳。最后,必须将它们加热到2100摄氏度,以使分子正确排列。没有这一系列步骤,所得材料将缺乏其所需的强度和刚度。
  
  该小组在最新一期的《科学进展》(Science Advances)中报告说,在该过程的第一阶段中添加少量的石墨烯(按重量计仅为0.075%的浓度)可以使造出的一种碳纤维,其强度提高225%,刚性提高184%,比常规制造的聚丙烯腈基碳纤维要好。
  
  该团队通过在几台超级计算机、计算和数据科学研究所(Institute for Computational and Data Sciences,ICDS)的高级网络基础设施上进行的一系列小型和大型计算机模拟,收集了发生的化学反应信息。他们还使用宾夕法尼亚州立大学材料研究所(MRI)的实验室研究了每种材料的特性。
  
  MRI材料计算中心主任兼ICDS工作人员van Duin表示:“我们将不同规模的实验联系在一起,不仅表明该过程有效,而且还为我们提供了原子尺度上此类添加剂起作用的理由。”。“这些知识使我们能够进一步优化流程。”
  
  石墨烯的扁平结构有助于在整个纤维中一致地排列聚丙烯腈分子,这在生产过程中是必需的。另外,在高温下,石墨烯边缘具有天然的催化性能,因此“其余的聚丙烯腈会在这些边缘周围冷凝”,van Duin说。
  
  利用从这项研究中获得的新知识,该团队正在探索使用更便宜的前体在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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