石墨烯增强碳纤维可能会导致价格合理强度更高的汽车材料

据一组研究人员称，一种制造碳纤维的新方法——通常制造成本很高——有朝一日可能会导致使用这些轻质、高强度的材料来提高安全性并降低汽车的生产成本。使用计算机模拟和实验室实验的组合，该团队发现在生产过程中添加少量二维石墨烯既降低了生产成本又增强了纤维的强度。

几十年来，碳纤维一直是飞机生产的支柱。如果以正确的方式制造，这些长长的碳基原子链比人的头发还要细，而且重量轻、坚硬且坚固——这是在距离地面数英里的车辆中确保乘客安全的完美应用。

宾夕法尼亚州立大学机械和化学工程教授 Adri van Duin 说：“尽管碳纤维具有非常好的特性，但它们会使汽车变得更加昂贵”，以现在的碳纤维制造方式。“如果你能让这些特性更容易制造，那么你就可以让汽车变得更轻、降低成本并让它们更安全。”

今天碳纤维的售价约为每磅 15 美元，该团队包括来自宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员，与行业合作伙伴索尔维和奥什科什合作，希望通过制造将其降低到每磅 5 美元改变复杂的生产过程。较低的生产成本将增加碳纤维的潜在应用，包括在汽车中。此外，该团队的研究可能会降低生产其他类型碳纤维的成本，其中一些如今的售价高达每磅 900 美元。

宾夕法尼亚州立大学机械工程系研究员 Małgorzata Kowalik 说：“目前，大多数碳纤维是由一种称为聚丙烯腈或 PAN 的聚合物制成的，而且成本非常高。” “PAN的价格约占碳纤维生产成本的50%。”

研究人员找到了一种增强碳纤维的方法，碳纤维广泛用于航空业，但通常非常昂贵。添加石墨烯可提高材料的强度和刚度，并为制造一种经济高效的材料铺平了道路，该材料有朝一日可以增强汽车的性能。显示的是在碳纤维生长过程中添加石墨烯的计算机模拟。该项目是宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学、橡树岭国家实验室、索尔维和奥什科什之间的合作项目。

PAN 用于制造当今市场上 90% 的碳纤维，但其生产需要大量能源。首先，PAN 纤维必须加热到 200-300 摄氏度才能氧化。接下来，它们必须被加热到 1,200-1,600 摄氏度才能将原子转化为碳。最后，它们必须被加热到 2100 摄氏度，这样分子才能正确排列。如果没有这一系列步骤，所得材料将缺乏其所需的强度和刚度。

该团队在最近一期的《科学进展》上报告说，在该过程的第一阶段添加微量石墨烯(按重量计仅 0.075% 的浓度)使该团队能够制造出强度提高 225% 且刚度提高 184%的碳纤维与传统制造的 PAN 基碳纤维相比。

该团队通过在几台超级计算机、计算与数据科学研究所 (ICDS) 高级网络基础设施上进行的一系列小型和大型计算机模拟，深入了解发生的化学反应;国家科学基金会 (NSF) 资助的 Cyber​​LAMP，由 ICDS 维护;以及 NSF 资助的极端科学与工程发现环境 (XSEDE)，这是一个由超级计算机和相关资源组成的多机构网络。他们还使用宾夕法尼亚州立大学材料研究所 (MRI) 的实验室研究了每种材料的特性。

“我们将不同尺度的实验联系起来，不仅表明这个过程有效，而且还为我们提供了这些类型的添加剂起作用的原子尺度原因，”同时也是 MRI 材料计算中心主任和 ICDS 助理的 van Duin 说。 . “这些知识使我们能够进一步优化流程。”

石墨烯的扁平结构有助于在整个纤维中始终如一地排列 PAN 分子，这是生产过程中所需要的。此外，在高温下，石墨烯边缘具有天然的催化特性，因此“其余的 PAN 会在这些边缘周围凝结，”van Duin 说。

凭借从这项研究中获得的新知识，该团队正在探索使用更便宜的前体在该生产过程中进一步使用石墨烯的方法，目标是完全减少一个或多个生产步骤，从而进一步降低成本。

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