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科技前沿

美国研究人员发现石墨烯能让碳纤维变得更硬更坚固且更便宜
来源:cnBeta  2020-05-20 14:25:02
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-9465.html
       碳纤维具有超高的强度和硬度,而且重量相对较轻,是工程师们喜欢用在各种对象上的材料,而不仅仅局限于顶级自行车、汽车和飞机。不过这种材料却有着一个非常明显的劣势,那就是成本高昂,从而限制了它的使用。不过现在,一组科学家发现,通过向生产混合物中添加少量的石墨烯不仅让碳纤维变得更能负担得起,同时还能变得更坚固、更硬。
 
 
       目前,碳纤维每磅成本约为15美元,研究人员希望有朝一日能将这一价格降至5美元。由来自宾夕法亚州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的科学家组成的研究小组希望通过调整改进工艺逐步实现这一目标,进而最终达到让碳纤维成为汽车行业规模化应用的可行选择。
 
       宾夕法尼亚州立大学机械和化学工程教授Adri van Duin指出:“尽管碳纤维有很好的特性,但按照现在制造碳纤维的方式,它们会让汽车变得更加昂贵。如果你能让这些特性更容易被制造出来,那么你就能让汽车明显变轻、成本得到明显降低,同时还能让它们变得更安全。”
 
  据了解,碳纤维制造成本高的一个关键原因是其由一种昂贵的聚合物聚丙烯腈(PAN)制成。这种材料的生产成本占总成本的50%左右,并且在生产过程中需要大量的能量,这主要是由于将聚合物转变成长而坚固的碳基原子链所需的极端温度条件。
 
  首先需要将PAN纤维加热到200- 300°C进行氧化,然后将汞加热到1200 - 1600°C使原子转化为碳。之后,将它们进一步加热到2100°C从而将材料中的分子排列起来并由此形成以坚硬和坚固著称的碳纤维。
 
  对此,研究团队开始探索如何将其他材料加入到混合物中以减少对PAN的依赖并提高生产过程的效率以及可能生产出性能更好的材料。通过实验,研究小组发现在第一阶段加入少量的石墨烯(质量分数仅为0.075%)可以带来一些令人印象深刻的结果。
 
  据了解,这种添加剂使得碳纤维的强度比标准碳纤维高出225%,刚度比标准碳纤维高出184%。根据该团队的分析,这是因为扁平的石墨烯结构使PAN中的分子取向具有更大的一致性,同时PAN也会在石墨烯边缘固化。
 
  虽然这项技术已经在一定程度上降低了生产成本,但该团队目前正在探索如何将其他更便宜的前体材料引入混合生产中。最终,他们希望生产过程被进一步简化。
 
  相关研究报告已发表在《Science Advances》上。
文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-288-9465.html