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語(yǔ)言:中文
MIT新研究:利用石油殘?jiān)圃燧p質(zhì)碳纖維 成本更低/可用于汽車(chē)
時(shí)間:2022-03-21來(lái)源:MIT、蓋世汽車(chē)

圖片來(lái)源:Nicola Ferralis, MIT


隨著全球正努力提高汽車(chē)和其他車(chē)輛的效率,以遏制溫室氣體排放,提高電動(dòng)汽車(chē)的使用范圍,人們正在尋找更輕、強(qiáng)度足以用于車(chē)身的材料。
 
由碳纖維制成的輕質(zhì)材料,類(lèi)似于用于某些網(wǎng)球拍和自行車(chē)的材料,兼具出色的強(qiáng)度和重量輕的特點(diǎn),但與由鋼或鋁制成的類(lèi)似結(jié)構(gòu)元件相比,這些材料的生產(chǎn)成本更高。如今,麻省理工學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)的研究人員提出了一種新方法,可以用一種超低成本原料來(lái)制造這些輕質(zhì)纖維——即石油精煉過(guò)程中留下的沉重、粘稠的廢料。目前,煉油廠將這些材料用于瀝青等低價(jià)值應(yīng)用,甚至當(dāng)作廢棄物處理。
 
這些纖維通常由從石油中提取的聚合物(如聚丙烯腈)制成,但使用昂貴的中間步驟聚合碳化合物。Ferralis說(shuō),這種聚合物的成本占最終纖維總成本的60%以上。該團(tuán)隊(duì)的新方法不是從精煉和加工的石油產(chǎn)品開(kāi)始,而是使用精煉過(guò)程后基本上留下的殘?jiān)环N被稱為石油瀝青的材料。“這就是我們有時(shí)所說(shuō)的桶底,”費(fèi)拉里斯說(shuō)。
 
“石油瀝青十分雜亂,”他說(shuō)。這是一個(gè)混合重碳?xì)浠衔锏拇箅s燴,“但這就是它的有趣之處,因?yàn)橛刑嗟幕瘜W(xué)物質(zhì)可以利用。這讓它成為一種極具吸引力的材料。”而且這些材料不能燃燒。盡管它可以起燃,但是因?yàn)樘K而無(wú)實(shí)際作用,尤其是現(xiàn)在環(huán)境法規(guī)如此嚴(yán)格的情況下。“而且數(shù)量有這么多,”他說(shuō),“這些產(chǎn)品的內(nèi)在價(jià)值很低,所以經(jīng)常被填埋。”該團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了瀝青的另一種來(lái)源——煤瀝青,這是一種類(lèi)似的材料,是煉焦煤(如用于鋼鐵生產(chǎn))的副產(chǎn)品。這一過(guò)程產(chǎn)生約80%的焦炭和20%的煤瀝青,“這基本上是一種浪費(fèi),”他說(shuō)。
 

該團(tuán)隊(duì)與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人員合作,他們擁有在各種條件下制造碳纖維的專業(yè)知識(shí),無(wú)論從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模還是到中試工廠規(guī)模。他們也正著手尋找預(yù)測(cè)性能的方法,以指導(dǎo)這些制造實(shí)驗(yàn)的條件選擇。

 

費(fèi)拉里斯說(shuō):“實(shí)際上,從能量需求和實(shí)際加工兩方面來(lái)看,利用瀝青制造碳纖維的過(guò)程實(shí)際上是極其簡(jiǎn)單的。”。

 

MIT研究生Asmita Jana解釋,瀝青“由不同種類(lèi)的分子組成,如果改變形狀或大小,可以預(yù)料到其性質(zhì)會(huì)發(fā)生巨大變化”,而工業(yè)材料需要具有非常一致的特性。

 

通過(guò)仔細(xì)模擬組成分子之間的鍵形成和交聯(lián)方式,Jana能夠開(kāi)發(fā)出一種預(yù)測(cè)給定加工條件將如何影響最終纖維性能的方法。她說(shuō):“我們能夠以驚人的準(zhǔn)確度重現(xiàn)結(jié)果,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。

 
研究結(jié)果表明,通過(guò)調(diào)整起始條件,碳纖維不僅可以像大多數(shù)纖維一樣具有很強(qiáng)的張力,而且還具有很強(qiáng)的壓縮能力,這意味著它們有望用于載荷應(yīng)用這為這些材料的用途開(kāi)辟了全新的可能性。

 

美國(guó)能源部(DOE)呼吁將輕質(zhì)材料的成本降低到每磅 5 美元以下,但麻省理工學(xué)院的團(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,盡管他們尚未進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)研究分析。

 

“我們正在開(kāi)發(fā)的新路線不僅僅是成本效應(yīng),”Ferralis 說(shuō)。“它可能會(huì)開(kāi)辟新的應(yīng)用,而且不一定是車(chē)輛。”制造傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料的部分復(fù)雜性在于,必須將纖維制成布料并以精確、詳細(xì)的圖案布置。他說(shuō),這樣做的原因“是為了彌補(bǔ)抗壓強(qiáng)度的不足。”他說(shuō),克服材料的缺陷是一個(gè)工程問(wèn)題,但有了新工藝,就不需要額外的復(fù)雜性了。

 

該研究團(tuán)隊(duì)包括麻省理工學(xué)院的Taishan Zhu和Yanming Wang、西儲(chǔ)大學(xué)的杰拉米·亞當(dāng)斯以及橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Logan Kearney和Amit Naskar。這項(xiàng)工作得到了美國(guó)能源部的支持。

來(lái)源:MIT、蓋世汽車(chē)網(wǎng)

文章作者:David L. Chandler | MIT News Office

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

來(lái)源:MIT、蓋世汽車(chē)網(wǎng)

文章作者:David L. Chandler | MIT News Office