美国科学家利用石墨烯增强碳纤维 让汽车材料更耐用、更低价

据外媒报道，制造碳纤维通常成本很高，不过，美国宾夕法尼亚州立大学的一组科学家研发了一种新制造方法，可能会使采用此种轻质、高强度材料以提高安全性的汽车降低生产成本。结合使用计算机模拟和实验室试验，该研究小组发现，在生产过程中加入少量2D石墨烯既可降低生产成本，还可让此类纤维得到增强。

几十年来，碳纤维一直是飞机制造业的主流材料。如果采用正确的制造方法，此类比人类头发还要窄的碳原子长链重量轻、硬度高、强度高，能够让离地面几英里高飞行的飞机更好地为乘客提供保护。

宾夕法尼亚州立大学机械与化学工程系教授Adri van Duin表示：“尽管碳纤维具有很好的功能，但是按照现有的碳纤维生产方式，会让汽车更昂贵。如果能够更容易地实现其特性，就能够大幅降低汽车的重量和成本，同时让汽车更安全。”

现在，碳纤维的售价为15美元/磅。宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学（the University of Virginia）、美国橡树岭国家实验室的研究人员与工业伙伴索尔维（Solvay）和豪士科（Oshkosh）合作，希望通过改变复杂的生产过程，将碳纤维的价格降至5美元/磅。生产成本降低就可扩大碳纤维的潜在应用范围，包括用在汽车上。此外，该团队的研究还可能会降低其他类型碳纤维的生产成本，其中有些碳纤维目前的售价高达900美元/磅。

宾夕法尼亚州立大学机械工程系研究员Małgorzata Kowalik表示：“目前大部分碳纤维都由一种称为聚丙烯腈（PAN）的聚合物制成，而此种聚合物非常昂贵，而且其成本约占碳纤维生产成本的50%。”

目前市面上90%的碳纤维都由PAN制成，不过生产PAN需要消耗大量能源。首先，必须将PAN纤维加热到200至300摄氏度才能氧化。然后，需要将其加热到1200至1600摄氏度，才能将原子转化为碳。最后，还需加热至2100摄氏度，才能让分子正确排列。如果没有这一系列的步骤，制成的材料将缺乏所需的强度和刚度。

该团队最近表示，只需要在制造过程的第一阶段添加0.075%的石墨烯，就能够生产出信息碳纤维，比原来基于PAN碳纤维的强度大225%、刚度高184%。

该团队利用一系列在几台超级计算机上进行的小型和大型计算机模拟，研究了发生的化学反应，还利用宾夕法尼亚州立大学的实验室研究了每种材料的特性。

利用从研究中获取的新知识，该团队正在探索如何在生产过程中利用更廉价的前体，以进一步利用石墨烯，目的在于减少一个或多个生产步骤，从而进一步降低成本。