目前，碳纖維每磅成本約為15美元，而這項新突破背后的研究人員希望有朝一日能將這一價格降至5美元。由來自賓夕法亞州立大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室的科學(xué)家組成的研究小組希望通過調(diào)整昂貴的生產(chǎn)過程來逐步實現(xiàn)這一目標(biāo)，進(jìn)而最終能達(dá)到讓碳纖維成為大規(guī)模汽車制造商的可行選擇的目標(biāo)。

賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械和化學(xué)工程教授Adri van Duin指出：“盡管碳纖維有很好的特性，但按照現(xiàn)在制造碳纖維的方式，它們會讓汽車變得更加昂貴。如果你能讓這些特性更容易被制造出來，那么你就能讓汽車明顯變輕、成本得到明顯降低，同時還能讓它們變得更安全?！?/span>

據(jù)了解，制造碳纖維高昂的一個關(guān)鍵原因是其由一種昂貴的聚合物聚丙烯腈(PAN)制成。這種材料的生產(chǎn)成本占總成本的50%左右，并且在生產(chǎn)過程中需要大量的能量，這主要是由于將聚合物轉(zhuǎn)變成長而堅固的碳基原子鏈所需的極端溫度條件。

首先需要將PAN纖維加熱到200- 300°C進(jìn)行氧化，然后將汞加熱到1200 - 1600°C使原子轉(zhuǎn)化為碳。之后，將它們進(jìn)一步加熱到2100°C從而將材料中的分子排列起來并由此形成以堅硬和堅固著稱的碳纖維。

對此，研究團(tuán)隊開始探索如何將其他材料加入到混合物中以減少對PAM的依賴并提高生產(chǎn)過程的效率以及可能生產(chǎn)出性能更好的材料。通過實驗，研究小組發(fā)現(xiàn)在第一階段加入少量的石墨烯--重量濃度僅為0.075%--可以帶來一些令人印象深刻的結(jié)果。

據(jù)了解，這種添加劑使得碳纖維的強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)碳纖維高出225%、剛度比標(biāo)準(zhǔn)碳纖維高出184%。根據(jù)該團(tuán)隊的分析，這是因為扁平的石墨烯結(jié)構(gòu)使PAN中的分子具有更大的一致性，同時PAN也會在石墨烯邊緣凝結(jié)。

雖然這項技術(shù)已經(jīng)在一定程度上降低了生產(chǎn)成本，但該團(tuán)隊目前正在探索如何將其他更便宜的前體材料引入混合生產(chǎn)中。最終，他們希望這可能意味著一些生產(chǎn)步驟被完全取消。

相關(guān)研究報告已發(fā)表在《Science Advances》上。