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石墨烯能让碳纤维变得更硬更坚固

 

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-05-11  浏览次数:202
 据外媒报道,碳纤维具有超强的强度和硬度,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可能会成为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。
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       目前,碳纤维每磅成本约为15美元,而这项新突破背后的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昂贵的生产过程来逐步实现这一目标,进而最终能达到让碳纤维成为大规模汽车制造商的可行选择的目标。
       碳纤维材料技术目前已经很成熟,但也有一些技术瓶颈,但也有一些非常优异的性能:
       在土木建筑领域,碳纤维可以对建筑材料加固补强, 可以增加抗震性,还可以加速施工效率。
       在航空航天舰船领域,碳纤维是必不可少的战略基础材料。比如,可以大大降低飞机、火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备的重量,也能增强强度,同时可以抗腐蚀性能更好。
       而在汽车领域,无论是车体架构,还是内外装饰,碳纤维都是不可或缺的,既可降低车体的重量,也可使汽车做到轻量化,同时增强了强度。另外, 对于刹车预制件来说,碳纤维也是不可多得的好材料,而这可是汽车制造的关键。
       但是不能不说的是,长久以来,我们国家在高性能碳纤维的使用上,全部都是依赖进口,如果不能在这个方面获得突破,将会直接制约着与碳纤维材料有关的所有的上下游行业的发展,而日本则是世界上著名的高性能碳纤维出口国,基本上全球60%的高性能碳纤维都被日本把持。
       就在前年,我们国家终于研制出高性能的碳纤维,进而在今年年初,我国的第一条百吨级T1000碳纤维生产线开始建成投产,意味着我们国家的高性能碳纤维正式突破国外技术封锁,打破了他们的垄断,直接促使我们国家碳纤维复合材料的高速发展
       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,制造碳纤维高昂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PAM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--重量浓度仅为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中的分子具有更大的一致性,同时PAN也会在石墨烯边缘凝结。
       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,他们希望这可能意味着一些生产步骤被完全取消。
 
       相关研究报告已发表在《Science Advances》上。
 
       文章来源: 环球Tech,科技风景线
 
 
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