美国宾夕法尼亚州立大学发现制造碳纤维的新方法

美国宾夕法尼亚州立大学的一个研究小组近日通过一项研究发现了一种制造碳纤维的全新方法，可显著降低成本，提高材料强度，有望在未来提升这种轻质、高强度的材料安全性，并降低汽车、航空航天材料的制造成本。研究小组结合计算机模拟和实验发现，在生产过程中添加少量二维材料石墨烯，既可以降低碳纤维的生产成本，又可使纤维强度增强。

过去几十年，碳纤维一直是航空制造业中的关键材料。碳纤维能得到于该应用，这基于碳原子长链材料比人的毛发更细，轻巧、坚硬且高强，这些特质保证了碳纤维可在飞行器中广泛应用，并能够保证乘客的安全。

宾州州立大学机械与化学工程系教授Adri van Duin表示，即使碳纤维确实有很好的功能，但按照现在的碳纤维制造方式，如果汽车使用这种材料，依然成本过高。如果能够通过更易于制造的方式获得碳纤维的优异性能，汽车等产品可以重量更轻，制造成本更低，安全性获得提升。

目前，低端碳纤维的售价约为每磅（0.45千克）15美元，研究团队（包括来自宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员）与工业合作伙伴索尔维和奥什科什公司（Oshkosh）合作，希望通过改变复杂的生产过程，将碳纤维的价格降低到每磅5美元左右。较低的生产成本将增加碳纤维在汽车或军用车辆中的潜在应用。此外，该团队的研究还可能会降低生产其他类型碳纤维的生产成本，其中一些高端碳纤维如今的售价可能高达每磅900美元。

宾州州立大学机械工程系的研究员Magorzata Kowalik表示，目前，大多数碳纤维都是由聚丙烯腈（PAN）作为前驱体的聚合物生产而成的，且制造成本很高。PAN的价格约占碳纤维生产总成本的50%。

目前市面上90%的碳纤维都利用PAN制造而来，但其生产需要消耗大量能源。首先，PAN纤维必须加热到200~300℃才能氧化。接下来，必须将它们加热到1200~1600℃，才能将原子碳化。最后，必须将它们加热到2100℃，以使分子正确排列。没有这一系列步骤，所得材料将缺乏其所需的强度和刚度。

研究团队在发表于最新一期《科学进展》的论文表示，在生产石墨烯过程的第一阶段中添加微量石墨烯（重量浓度仅为0.075%），即可制造出一种碳纤维，其强度提高225%，刚性提高184%，强于基于PAN制造的碳纤维。

研究团队通过计算和数据科学研究所（ICDS）高级网络基础设施，在几台超级计算机中进行了一系列小型和大型计算模拟，收集了在这种新方法生产碳纤维过程中发生的化学反应机理和数据。此外，研究人员还使用宾州州立大学材料研究所（MRI）的实验设施研究了生产材料的基本性能。

MRI材料计算中心主任和ICDS成员的van Duin表示，通过上述方式，可将不同尺度试验联系在一起，这不仅证明了新制造工艺的有效性，同时还为研究人员提供了原子尺度上使用石墨烯添加剂产生作用的机理，这些数据可使人们进一步优化工艺流程。

石墨烯的二维平面结构有助于在整个碳纤维中一致地排列PAN分子，这在生产过程中是必需的。此外，在高温下，石墨烯的边缘具有天然催化特性，因此其余PAN在这些边缘周围凝聚。

利用从这项研究中获得的新知识，研究团队正在探索使用更低成本的前驱体在生产过程中进一步使用石墨烯的方法，目的是减少生产步骤，从而进一步降低成本。

美国能源部和国家科学基金会（NSF）对这项研究提供支持。

（陈济桁）