石墨烯增强碳纤维可能会导致价格合理更坚固的汽车材料赵松庭
文章来源：丰联农业网 | 2022-09-08
石墨烯增强碳纤维可能会导致价格合理，更坚固的汽车材料
一组研究人员称，一种制造碳纤维的新方法可能有一天会导致使用这些轻质，高强度的材料来提高安全性并降低汽车生产成本。研究小组综合了计算机模拟和实验室实验，发现在生产过程中添加少量2D石墨烯既可以降低生产成本，又可以增强纤维。
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，这些长于碳的原子的长链会轻巧，坚硬且结实，这是确保乘客在高出地面的车辆中安全的理想应用。
宾夕法尼亚州立大学机械与化学工程学教授阿德里·范·杜因表示：“即使碳纤维确实具有很好的功能，但如果用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。”
碳纤维目前的售价约为每磅15美元，该团队与行业合作伙伴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。
宾州州立大学机械工程系的研究员Ma？gorzata Kowalik说：“目前，大多数碳纤维都是由称为聚丙烯腈或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％。”
PAN用于制造当今市场上90％的碳纤维，但其生产需要大量能量。首先，PAN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《科学进展》杂志的最新一期中报道说，在该过程的第一阶段添加痕量的石墨烯可以使该小组制造出一种碳纤维，其强度提高225％，而碳纤维提高184％与常规制造的PAN基碳纤维相比，刚性更高。
该团队通过在几台超级计算机，计算和数据科学研究所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，收集了对发生的化学反应的见解。由美国国家科学基金会资助的Cyber??LAMP，由ICDS维护；
NSF资助的极限科学与工程发现环境，这是一个由多机构组成的超级计算机和相关资源的网络。他们还使用宾夕法尼亚州立大学材料研究所的实验室研究了每种材料的特性。
MRI材料计算中心主任，ICDS负责人van Duin说：“我们将不同规模的实验联系起来，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PAN分子，这在生产过程中是必需的。另外，在高温下，石墨烯边缘具有自然的催化性能，因此“其余的PAN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。