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2020-06-15
??據外媒報道，制造碳纖維通常成本很高，不過，美國賓夕法尼亞州立大學的一組科學家研發(fā)了一種新制造方法，可能會使采用此種輕質、高強度材料以提高安全性的汽車降低生產成本。結合使用計算機模擬和實驗室試驗，該研究小組發(fā)現，在生產過程中加入少量2D石墨烯既可降低生產成本，還可讓此類纖維得到增強。
幾十年來，碳纖維一直是飛機制造業(yè)的主流材料。如果采用正確的制造方法，此類比人類頭發(fā)還要窄的碳原子長鏈重量輕、硬度高、強度高，能夠讓離地面幾英里高飛行的飛機更好地為乘客提供保護。
賓夕法尼亞州立大學機械與化學工程系教授Adri van Duin表示：“盡管碳纖維具有很好的功能，但是按照現有的碳纖維生產方式，會讓汽車更昂貴。如果能夠更容易地實現其特性，就能夠大幅降低汽車的重量和成本，同時讓汽車更安全。”
現在，碳纖維的售價為15美元/磅。賓夕法尼亞州立大學、弗吉尼亞大學（the University of Virginia）、美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員與工業(yè)伙伴索爾維（Solvay）和豪士科（Oshkosh）合作，希望通過改變復雜的生產過程，將碳纖維的價格降至5美元/磅。生產成本降低就可擴大碳纖維的潛在應用范圍，包括用在汽車上。此外，該團隊的研究還可能會降低其他類型碳纖維的生產成本，其中有些碳纖維目前的售價高達900美元/磅。
賓夕法尼亞州立大學機械工程系研究員Ma?gorzata Kowalik表示：“目前大部分碳纖維都由一種稱為聚丙烯腈（PAN）的聚合物制成，而此種聚合物非常昂貴，而且其成本約占碳纖維生產成本的50%?！?/span>
目前市面上90%的碳纖維都由PAN制成，不過生產PAN需要消耗大量能源。首先，必須將PAN纖維加熱到200至300攝氏度才能氧化。然后，需要將其加熱到1200至1600攝氏度，才能將原子轉化為碳。最后，還需加熱至2100攝氏度，才能讓分子正確排列。如果沒有這一系列的步驟，制成的材料將缺乏所需的強度和剛度。
該團隊最近表示，只需要在制造過程的第一階段添加0.075%的石墨烯，就能夠生產出信息碳纖維，比原來基于PAN碳纖維的強度大225%、剛度高184%。
該團隊利用一系列在幾臺超級計算機上進行的小型和大型計算機模擬，研究了發(fā)生的化學反應，還利用賓夕法尼亞州立大學的實驗室研究了每種材料的特性。
利用從研究中獲取的新知識，該團隊正在探索如何在生產過程中利用更廉價的前體，以進一步利用石墨烯，目的在于減少一個或多個生產步驟，從而進一步降低成本。
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