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石墨烯增強碳纖維可能會制造出低成本、高強度的復合材料
導讀：賓夕法尼亞州立大學領導的一個研究小組稱，一種制造碳纖維的新方法(通常制造成本很高)有朝一日可能會促成使用這些輕質、高強度的材料來提高安全性，降低生產汽車成本的結果。
【塑料機械網 技術學堂】賓夕法尼亞州立大學(Penn State University)領導的一個研究小組稱，一種制造碳纖維的新方法(通常制造成本很高)有朝一日可能會促成使用這些輕質、高強度的材料來提高安全性，降低生產汽車成本的結果。通過計算機模擬和實驗室實驗的結合，研究小組發現，在生產過程中加入少量石墨烯，既降低了生產成本，又增強了纖維的強度。
幾十年來，碳纖維一直是飛機生產的主力軍。如果用正確的方法制造，這些比人的頭發還窄的碳原子長鏈，重量輕、硬度高、強度大——這是一個完美的應用，可以保證乘客在離地數英里的高空翱翔的飛機上的安全。
賓夕法尼亞州立大學機械和化學工程教授Adri van Duin說：“盡管碳纖維有著非常好的特性，但按照現在碳纖維的制造方式，它們會使汽車價格更高。如果能使這些性能更容易被制造，那么就可以使汽車更輕，成本更低，行駛更安全。”
通過實驗室實驗和計算機模擬(如圖所示)，一組研究人員發現，在碳纖維生產過程中加入石墨烯大大增強了材料的強度，這可能在未來為高強度、高成本效益的汽車材料鋪平道路
碳纖維目前的售價約為15美元/磅，由來自賓夕法尼亞州立大學、弗吉尼亞大學和橡樹嶺國家實驗室的研究人員組成的團隊，與行業合作伙伴Solvay和Oshkosh合作，希望通過改變復雜的生產工藝，將這一價格降低到5美元/磅。更低的生產成本將增加碳纖維的潛在應用，包括在汽車上的應用。此外，該團隊的研究可能會降低生產其他類型碳纖維的成本，據報道，其中一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說：“目前大多數碳纖維是由聚丙烯腈(PAN)聚合物制成的，而且成本相當高。PAN的價格約占碳纖維生產成本的50%。”
目前市場上90%的碳纖維都是用PAN來制造的，但其生產需要大量的能量。首先，PAN纖維必須加熱到200-300℃，使其氧化。接下來，必須將它們加熱到1200-1600℃，將原子轉化為碳。后，必須將它們加熱到2100℃，使分子正確排列。如果沒有這一系列的步驟，所得到的材料將缺乏所需的強度和剛度。
該研究小組在近一期的《科學進展》雜志上報告說，在這一過程的第一階段添加微量石墨烯(按重量計只有0.075%的濃度)可以制造出比傳統PAN碳纖維強度和剛度分別高225%和184%的碳纖維。
研究小組通過在數臺超級計算機上進行的一系列小型和大型計算機模擬，對發生的化學反應進行了深入了解，這些超級計算機包括計算和數據科學研究所(ICD)高級網絡基礎設施；由ICD維護的國家科學基金會(NSF)資助的CyberLAMP；國家科學基金會資助了科學與工程發現環境(XSEDE)，一個由超級計算機和相關資源組成的多研究所網絡。他們還利用賓夕法尼亞州材料研究所(MRI)的實驗室研究了每種材料的特性。
“我們將不同規模的實驗聯系起來，不僅證明了這一過程的有效性，而且還為我們提供了一個原子尺度的理由來解釋這些添加劑的作用，”van Duin說，他是MRI的材料計算中心主任，也是ICDS的助手，“這些知識使我們能夠進一步優化流程。”
石墨烯的扁平結構有助于使PAN分子在整個纖維中保持一致的排列，這在生產過程中是必需的。此外，在高溫下，石墨烯的邊緣具有天然的催化性能，因此“PAN的其余部分會在這些邊緣凝結，”van Duin說。
利用從這項研究中獲得的新知識，該團隊正在探索如何使用更便宜的前體進一步在這種生產工藝中使用石墨烯，目標是完全砍掉一個或多個生產步驟，從而進一步降低成本。美國能源部和國家科學基金會(NSF)支持這項研究。
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