MIT利用石油残渣制造轻质碳纤维 成本更低/可用于汽车
现在全球都在努力提高汽车和其他车辆的能效,以控制温室气体排放,提高电动汽车的续航里程。人们正在寻找一种更轻、具有足够强度的车身材料。
(图片来源:MIT)
由碳纤维制成的轻质材料具有卓越的强度,同时重量较轻。但是,与钢或铝材相比,利用这种材料制造同等结构元件的成本更高。据外媒报道,麻省理工学院(MIT)等机构的研究人员提出一种新方法,可利用超低成本原料来制造轻质碳纤维,即石油炼制过程中产生的重而粘稠的废料。目前,炼油厂将这些材料用于沥青等低价值应用,甚至当作废弃物处理。
这种新型碳纤维的制造成本更低,而且具有抗压强度,可用于载荷应用,比传统碳纤维更有优势。MIT研究科学家Nicola Ferralis表示:“与30年前相比,现在同等车型的重量提高了约15%。”这意味着发动机更大,制动系统更强劲等,因此减轻车身或其他组件的重量具有多重意义。利用由碳纤维制成的复合材料并不是一个新想法,但是目前这种材料仅用于少数昂贵车型。这项新研究旨在改变这种情况,提供低成本原材料和相对简单的加工方式。
研究人员表示,目前车用优质碳纤维的价格,至少为每磅10-12美元。相比之下,钢材为每磅75美分,铝为2美元。而且,这些价格波动较大,往往依赖国外资源。在此基础上,用碳纤维制造一辆皮卡,其成本可能是钢的两倍。这些纤维通常由源自石油的聚合物制成(如聚丙烯腈),但是需要通过中间步骤来聚合碳化合物,成本较高。聚合物的成本占最终纤维总成本的60%以上。
该团队的新方法不使用经过精炼和加工的石油产品,而是采用精炼过程中留下的渣滓,即石油沥青。 Ferralis表示:“这就是有时所说的桶底。这些石油沥青很杂乱,是混合重碳氢化合物的大杂烩。但这正是有趣的地方,因为有太多的化学物质可以利用,使其成为有吸引力的材料。”这些材料没法燃烧。实际上可以燃烧,但是因为太脏而无法实施,尤其是现在环境法规如此严格的情况下。“这些产品的内在价值很低,所以经常被填埋。” 研究人员还测试了一种沥青的替代来源——煤沥青。这是一种类似的材料,是炼焦煤(可用于钢铁生产)的副产品。该过程大约产生80%的焦炭和20%的煤沥青,“这基本上是一种浪费。”
该团队与橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的研究人员合作,着手寻找预测性能的方法,以指导选择制造实验条件。ORNL拥有在不同条件生产碳纤维的专业知识。Ferralis表示:“实际上,从能源需求和实际加工的角度来看,利用沥青来制造碳纤维的过程非常简单。”
MIT研究生Asmita Jana解释,沥青“由不同种类的分子组成,如果改变形状或大小,可以预料到其性质会发生巨大变化,”而工业材料需要具有非常一致的性质。通过具体模拟组成分子之间形成的键和交联方式,可以开发出一种方法,预测一组给定加工条件如何影响最终的纤维性能。“研究人员能够以惊人的精确度重现结果。通过这些图表,各公司可以预测纤维的密度和弹性模量等特征。”
研究结果显示,通过调整起始条件,所制造的碳纤维不仅张力强,而且具有很强的抗压能力,有望用于载荷应用。这为这些材料的应用开辟了全新可能性。
美国能源部呼吁,将轻质材料的成本降至每磅5美元以下。然而,MIT研究小组估计,其方法可以做得更好,达到每磅3美元左右。当然,这需要详细的经济分析。
这项工作得到了美国能源部的支持。研究人员表示,这种正在开发的新途径不仅仅带来成本效应,除了汽车,还可能开辟新的应用。制造传统纤维复合材料的过程比较复杂,其中之一必须将纤维制成布料,并以精确、详细的图案铺展,这是“为了弥补抗压强度的不足。”克服材料缺陷是工程设计需要解决的问题,但有了新工艺,不必再这么复杂。
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