石墨烯增強的碳纖維可以用作汽車材料或運用在航空航天

2020-08-28 石墨烯資訊

幾十年來，碳纖維一直是航空製造的支柱。如果用正確的方法創造，這些碳基原子的長鏈是輕量的、堅硬的和高強度。添加少量的石墨烯的碳纖維生產過程，降低了生產成本和增強纖維，添加高強度材料，提高安全性，降低生產飛機和汽車的成本。


碳纖維有很好的特性，但按照現在製造碳纖維的方式，汽車會更加昂貴。

如今，碳纖維的售價約為每磅15美元，該團隊希望通過改變複雜的生產過程，將價格降至每磅5美元。較低的生產成本將增加碳纖維的潛在應用，包括在汽車上。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，其中一些材料如今每磅售價高達900美元。加入石墨烯提高了材料的強度和剛度，並為將來製造一種有可能增強汽車的高性價比材料鋪平了道路。

目前大部分碳纖維生產的聚合物稱為聚丙烯腈（PAN），這種材料相當昂貴。PAN的價格約佔碳纖維生產成本的50%。

目前市場上90%的碳纖維都是用PAN生產的，但它的生產需要大量的能源。

首先，PAN纖維必須加熱到200-300攝氏度才能氧化。

接下來，它們必須被加熱到1200 - 1600攝氏度，才能將原子轉化為碳。

最後，它們必須加熱到2100攝氏度，這樣分子才能正確排列。

如果沒有這一系列的步驟，產生的材料將缺乏所需的強度和剛度。

研究小組報告說，在這一過程的第一階段加入微量的石墨烯(重量濃度僅為0.075%)，可以使研究小組創造出一種比傳統的pan基碳纖維強度高225%、剛度高184%的碳纖維。通過一系列在數臺超級計算機仿真模擬，深入了解了化學反應的發生。

石墨烯的扁平結構有助於使PAN分子在整個纖維中保持一致，此外，在高溫條件下，石墨烯邊緣具有天然的催化性能，因此PAN的其餘部分會圍繞這些邊緣凝結。

利用從這項研究中獲得的新知識，該團隊正在探索如何在生產過程中使用更廉價的前體進一步使用石墨烯，目標是減少一個或多個生產步驟，從而進一步降低成本。

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