碳纤维开发用于轻量化结构材料

全世界都在努力提高汽车和其他车辆的效率，以遏制温室气体排放，并提高电动汽车的续航里程，人们正在寻找更轻、强度足够大的材料，以用于汽车车身。

由碳纤维制成的轻质材料，类似于一些网球拍和自行车所用的材料，具有优异的强度和较低的重量，但这些材料的生产成本高于由钢或铝制成的类似结构元件。麻省理工学院和其他地方的研究人员已经提出了一种从超堆原料中制造这些轻质纤维的方法:超堆原料是石油精炼过程中遗留下来的重而粘稠的废料，目前炼油厂将其用于低价值应用，如沥青，或最终将其作为废物处理。

这种新型碳纤维不仅制造成本低廉，而且比传统碳纤维材料更有优势，因为它具有抗压强度，这意味着它可以用于承重应用。研究生Asmita Jana、研究科学家Nicola Ferralis、Jeffrey Grossman教授以及麻省理工学院、怀俄明州西部研究所和田纳西州橡树岭国家实验室的其他五人在一篇论文中描述了这一新过程。

这项研究大约开始于四年前，是应美国能源部的要求开展的，当时能源部正在寻求通过降低汽车的整体重量来提高汽车的效率和降低燃料消耗的方法。“如果你看一下现在的同一款汽车，与30年前相比，它明显更重，”法拉利斯说。“同一类别汽车的重量增加了15%以上。”

更重的汽车需要更大的发动机，更强的刹车，等等，所以减轻车身或其他部件的重量会产生连锁反应，产生额外的重量减轻。美国能源部正在推动轻量化结构材料的开发，这种材料的安全性与目前的传统钢板相当，而且制造成本足够低，有可能在标准车辆中完全取代钢材。

由碳纤维制成的复合材料并不是一个新想法，但到目前为止，在汽车世界中，它们只用于少数非常昂贵的车型。这项新研究旨在通过提供低成本的起始材料和相对简单的加工方法来扭转这一局面。

法拉利斯说，目前汽车用碳纤维的价格至少为每磅10至12美元，如果用于航天器部件等特殊用途，“可能会更高”，最高可达每磅数百美元。相比之下，钢的价格约为每磅75美分，铝的价格为每磅2美元，不过这些价格波动很大，而且这些材料往往依赖外国来源。他说，在这样的价格下，用碳纤维而不是钢铁制造皮卡的成本大约会增加一倍。

这些纤维通常是由从石油中提取的聚合物(如聚丙烯腈)制成的，但使用了昂贵的碳化合物聚合中间步骤。这种聚合物的成本占最终纤维总成本的60%以上，Ferralis说。该团队的新方法不是使用精炼和加工过的石油产品，而是使用精炼过程后留下的渣油，一种被称为石油沥青的材料。

“这就是我们有时所说的桶底，”法拉利斯说。“Pitch是非常混乱的，”他说。它是混合重碳氢化合物的大杂烩，“在某种程度上，这实际上是它的美丽之处，因为有太多的化学成分可以利用。这使得它成为一个迷人的材料。”

它对燃烧毫无用处;虽然它可以燃烧，但它是一种太脏的燃料，不实用，尤其是随着环境法规的收紧。“垃圾太多了，”他说，“这些产品的内在价值很低，所以经常被填埋。”该团队也测试了沥青的另一种来源是煤沥青，这是一种类似的材料，是焦煤的副产品，用于钢铁生产。这个过程产生大约80%的焦炭和20%的煤沥青，“这基本上是一种浪费。”

该团队与橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员合作，后者拥有在各种条件下制造碳纤维的专业知识，从实验室规模一直到中试工厂规模，他们开始寻找预测性能的方法，以指导制造实验的条件选择。

费拉里斯说:“从能源需求和实际加工过程来看，(用沥青)制造碳纤维的过程实际上是极其简单的。”

Jana解释说，这种材料是“由这些异质分子组成的，如果你改变形状或大小，你会期望其性质发生巨大变化”，而工业材料需要具有非常一致的性质。

通过仔细模拟组成分子之间的键形成和交联的方式，Jana能够开发出一种预测给定的加工条件如何影响最终纤维性能的方法。“我们能够以惊人的精度再现结果，”她说，“以至于公司可以用这些图表来预测”纤维的密度和弹性模量等特征。

这项工作的结果表明，通过调整启动条件，碳纤维不仅可以像大多数此类纤维一样具有强大的拉力，而且还具有强大的压缩力，这意味着它们可能被用于承重应用。他们说，这为这些材料的有用性开辟了全新的可能性。

美国能源部呼吁项目将轻质材料的成本降低到每磅5美元以下，但麻省理工学院的团队估计，他们的方法可以做得更好，达到每磅3美元左右，尽管他们还没有做详细的经济分析。

“我们正在开发的新路线不仅仅是成本效应，”法拉利斯说。“它可能会开辟新的应用，而且不一定是交通工具。”制造传统纤维复合材料的复杂之处在于，必须将纤维制成布料，并以精确、详细的图案摆放。他说，这样做的原因是“为了弥补抗压强度的不足。”他说，克服这种材料的缺陷是一个工程问题，但有了新工艺，所有额外的复杂性都不需要了。

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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