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麻省理工研究人員使用石油瀝青制造車身材料

時(shí)間:2022-04-02 05:39:44 來(lái)源: cnBeta.COM


由碳纖維制成的輕質(zhì)材料,類似于用于一些網(wǎng)球拍和自行車的材料,結(jié)合了卓越的強(qiáng)度和低重量,但這些材料的生產(chǎn)成本比由鋼或鋁制成的類似結(jié)構(gòu)件要高?,F(xiàn)在,麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員想出了一種用超廉價(jià)原料制造這些輕質(zhì)纖維的方法:煉油過(guò)程中留下的沉重、粘稠的廢料,這些材料今天被煉油廠提供給低價(jià)值的應(yīng)用,如瀝青,或最終作為廢料處理。

新的碳纖維不僅制造成本低,而且它比傳統(tǒng)的碳纖維材料有優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗梢杂袎嚎s強(qiáng)度,這意味著它可以用于承重應(yīng)用。2022m年3月18日,《科學(xué)進(jìn)展》雜志在研究生阿斯米塔-賈納、研究科學(xué)家尼古拉-費(fèi)拉利斯、教授杰弗里-格羅斯曼以及麻省理工學(xué)院、懷俄明州西部研究所和田納西州橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的其他五人的一篇論文中描述了這一新工藝。

這項(xiàng)研究大約在四年前開始,以響應(yīng)能源部的要求,該部正在尋求通過(guò)降低汽車的整體重量使其更加高效和減少燃料消耗的方法。更重的汽車需要更大的發(fā)動(dòng)機(jī),更強(qiáng)的剎車,等等,所以減少車身或其他部件的重量會(huì)產(chǎn)生連鎖反應(yīng),產(chǎn)生額外的減重。美國(guó)能源部正在推動(dòng)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展,這些材料不僅可以與今天的傳統(tǒng)鋼板的安全性相媲美,而且其制造成本也足夠低,有可能在標(biāo)準(zhǔn)車輛中完全取代鋼材。

由碳纖維制成的復(fù)合材料并不是一個(gè)新的想法,但迄今為止,在汽車領(lǐng)域,它們只被用于少數(shù)非常昂貴的車型。這項(xiàng)新的研究旨在通過(guò)提供低成本的起始材料和相對(duì)簡(jiǎn)單的加工方法來(lái)扭轉(zhuǎn)這一局面。目前汽車用碳纖維的質(zhì)量至少為每磅10至12美元,而且"可能會(huì)更高",對(duì)于像航天器部件這樣的特殊應(yīng)用,每磅可達(dá)數(shù)百美元。相比之下,鋼的價(jià)格約為每磅75美分,鋁的價(jià)格為2美元,盡管這些價(jià)格波動(dòng)很大,而且這些材料往往依賴外國(guó)來(lái)源。他說(shuō),按照這些價(jià)格,用碳纖維而不是鋼制造一輛皮卡的成本大約會(huì)增加一倍。

這些纖維通常由來(lái)自石油的聚合物(如聚丙烯腈)制成,但要使用昂貴的中間步驟來(lái)聚合碳化合物。聚合物的成本可能占到最終纖維總成本的60%以上。現(xiàn)在該團(tuán)隊(duì)的新方法不是從使用精煉和加工的石油產(chǎn)品開始,而是使用基本上是精煉過(guò)程后剩下的渣滓,一種被稱為石油瀝青的材料,它是一個(gè)混合重碳?xì)浠衔锏拇箅s燴。

研究人員通過(guò)仔細(xì)模擬組成分子之間的鍵的形成和交聯(lián)方式,研究人員能夠開發(fā)出一種方法來(lái)預(yù)測(cè)一組給定的加工條件將如何影響所產(chǎn)生的纖維特性,以至于公司可以利用這些圖表并能夠預(yù)測(cè)纖維的密度和彈性模量等特性。這項(xiàng)工作產(chǎn)生的結(jié)果顯示,通過(guò)調(diào)整起始條件,可以制造出不僅在張力下很強(qiáng)的碳纖維,而且在壓縮時(shí)也很強(qiáng),這意味著它們有可能被用于承重應(yīng)用。

能源部呼吁項(xiàng)目將輕質(zhì)材料的成本降至每磅5美元以下,但麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)估計(jì)他們的方法可以做得更好,達(dá)到每磅3美元左右。


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