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2020-06-15
??據(jù)外媒報(bào)道，制造碳纖維通常成本很高，不過(guò)，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的一組科學(xué)家研發(fā)了一種新制造方法，可能會(huì)使采用此種輕質(zhì)、高強(qiáng)度材料以提高安全性的汽車(chē)降低生產(chǎn)成本。結(jié)合使用計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，該研究小組發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)過(guò)程中加入少量2D石墨烯既可降低生產(chǎn)成本，還可讓此類(lèi)纖維得到增強(qiáng)。
幾十年來(lái)，碳纖維一直是飛機(jī)制造業(yè)的主流材料。如果采用正確的制造方法，此類(lèi)比人類(lèi)頭發(fā)還要窄的碳原子長(zhǎng)鏈重量輕、硬度高、強(qiáng)度高，能夠讓離地面幾英里高飛行的飛機(jī)更好地為乘客提供保護(hù)。
賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械與化學(xué)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(xiàn)有的碳纖維生產(chǎn)方式，會(huì)讓汽車(chē)更昂貴。如果能夠更容易地實(shí)現(xiàn)其特性，就能夠大幅降低汽車(chē)的重量和成本，同時(shí)讓汽車(chē)更安全?！?/span>
現(xiàn)在，碳纖維的售價(jià)為15美元/磅。賓夕法尼亞州立大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)（the University of Virginia）、美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guò)改變復(fù)雜的生產(chǎn)過(guò)程，將碳纖維的價(jià)格降至5美元/磅。生產(chǎn)成本降低就可擴(kuò)大碳纖維的潛在應(yīng)用范圍，包括用在汽車(chē)上。此外，該團(tuán)隊(duì)的研究還可能會(huì)降低其他類(lèi)型碳纖維的生產(chǎn)成本，其中有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表示：“目前大部分碳纖維都由一種稱(chēng)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(chǎn)成本的50%?！?/span>
目前市面上90%的碳纖維都由PAN制成，不過(guò)生產(chǎn)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(zhuǎn)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(méi)有這一系列的步驟，制成的材料將缺乏所需的強(qiáng)度和剛度。
該團(tuán)隊(duì)最近表示，只需要在制造過(guò)程的第一階段添加0.075%的石墨烯，就能夠生產(chǎn)出信息碳纖維，比原來(lái)基于PAN碳纖維的強(qiáng)度大225%、剛度高184%。
該團(tuán)隊(duì)利用一系列在幾臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的小型和大型計(jì)算機(jī)模擬，研究了發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，還利用賓夕法尼亞州立大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室研究了每種材料的特性。
利用從研究中獲取的新知識(shí)，該團(tuán)隊(duì)正在探索如何在生產(chǎn)過(guò)程中利用更廉價(jià)的前體，以進(jìn)一步利用石墨烯，目的在于減少一個(gè)或多個(gè)生產(chǎn)步驟，從而進(jìn)一步降低成本。
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