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石墨烯增強(qiáng)碳纖維可能會(huì)制造出低成本、高強(qiáng)度的復(fù)合材料
【塑料機(jī)械網(wǎng) 技術(shù)學(xué)堂】賓夕法尼亞州立大學(xué)(Penn State University)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組稱，一種制造碳纖維的新方法(通常制造成本很高)有朝一日可能會(huì)促成使用這些輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料來(lái)提高安全性，降低生產(chǎn)汽車成本的結(jié)果。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的結(jié)合，研究小組發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)過(guò)程中加入少量石墨烯，既降低了生產(chǎn)成本，又增強(qiáng)了纖維的強(qiáng)度。
幾十年來(lái)，碳纖維一直是飛機(jī)生產(chǎn)的主力軍。如果用正確的方法制造，這些比人的頭發(fā)還窄的碳原子長(zhǎng)鏈，重量輕、硬度高、強(qiáng)度大——這是一個(gè)完美的應(yīng)用，可以保證乘客在離地?cái)?shù)英里的高空翱翔的飛機(jī)上的安全。
賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械和化學(xué)工程教授Adri van Duin說(shuō)：“盡管碳纖維有著非常好的特性，但按照現(xiàn)在碳纖維的制造方式，它們會(huì)使汽車價(jià)格更高。如果能使這些性能更容易被制造，那么就可以使汽車更輕，成本更低，行駛更安全。”
通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬(如圖所示)，一組研究人員發(fā)現(xiàn)，在碳纖維生產(chǎn)過(guò)程中加入石墨烯大大增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度，這可能在未來(lái)為高強(qiáng)度、高成本效益的汽車材料鋪平道路
碳纖維目前的售價(jià)約為15美元/磅，由來(lái)自賓夕法尼亞州立大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)，與行業(yè)合作伙伴Solvay和Oshkosh合作，希望通過(guò)改變復(fù)雜的生產(chǎn)工藝，將這一價(jià)格降低到5美元/磅。更低的生產(chǎn)成本將增加碳纖維的潛在應(yīng)用，包括在汽車上的應(yīng)用。此外，該團(tuán)隊(duì)的研究可能會(huì)降低生產(chǎn)其他類型碳纖維的成本，據(jù)報(bào)道，其中一些碳纖維目前的售價(jià)高達(dá)900美元/磅。
賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程系研究員Ma?gorzata Kowalik說(shuō)：“目前大多數(shù)碳纖維是由聚丙烯腈(PAN)聚合物制成的，而且成本相當(dāng)高。PAN的價(jià)格約占碳纖維生產(chǎn)成本的50%。”
目前市場(chǎng)上90%的碳纖維都是用PAN來(lái)制造的，但其生產(chǎn)需要大量的能量。首先，PAN纖維必須加熱到200-300℃，使其氧化。接下來(lái)，必須將它們加熱到1200-1600℃，將原子轉(zhuǎn)化為碳。后，必須將它們加熱到2100℃，使分子正確排列。如果沒(méi)有這一系列的步驟，所得到的材料將缺乏所需的強(qiáng)度和剛度。
該研究小組在近一期的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)告說(shuō)，在這一過(guò)程的第一階段添加微量石墨烯(按重量計(jì)只有0.075%的濃度)可以制造出比傳統(tǒng)PAN碳纖維強(qiáng)度和剛度分別高225%和184%的碳纖維。
研究小組通過(guò)在數(shù)臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的一系列小型和大型計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了深入了解，這些超級(jí)計(jì)算機(jī)包括計(jì)算和數(shù)據(jù)科學(xué)研究所(ICD)高級(jí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；由ICD維護(hù)的國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助的CyberLAMP；國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助了科學(xué)與工程發(fā)現(xiàn)環(huán)境(XSEDE)，一個(gè)由超級(jí)計(jì)算機(jī)和相關(guān)資源組成的多研究所網(wǎng)絡(luò)。他們還利用賓夕法尼亞州材料研究所(MRI)的實(shí)驗(yàn)室研究了每種材料的特性。
“我們將不同規(guī)模的實(shí)驗(yàn)聯(lián)系起來(lái)，不僅證明了這一過(guò)程的有效性，而且還為我們提供了一個(gè)原子尺度的理由來(lái)解釋這些添加劑的作用，”van Duin說(shuō)，他是MRI的材料計(jì)算中心主任，也是ICDS的助手，“這些知識(shí)使我們能夠進(jìn)一步優(yōu)化流程。”
石墨烯的扁平結(jié)構(gòu)有助于使PAN分子在整個(gè)纖維中保持一致的排列，這在生產(chǎn)過(guò)程中是必需的。此外，在高溫下，石墨烯的邊緣具有天然的催化性能，因此“PAN的其余部分會(huì)在這些邊緣凝結(jié)，”van Duin說(shuō)。
利用從這項(xiàng)研究中獲得的新知識(shí)，該團(tuán)隊(duì)正在探索如何使用更便宜的前體進(jìn)一步在這種生產(chǎn)工藝中使用石墨烯，目標(biāo)是完全砍掉一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)步驟，從而進(jìn)一步降低成本。美國(guó)能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)支持這項(xiàng)研究。
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