Grafenforstærket kulfiber kan føre til overkommelige, stærkere bilmaterialer

En ny måde at skabe kulfiber - som typisk er dyre at lave - kan en dag føre til brug af disse lette, materialer med høj styrke til at forbedre sikkerheden og reducere omkostningerne ved at producere biler, ifølge et team af forskere. Ved hjælp af en blanding af computersimuleringer og laboratorieforsøg, teamet fandt ud af, at tilføjelse af små mængder af 2-D-grafen til produktionsprocessen både reducerer produktionsomkostningerne og styrker fibrene.

I årtier, kulfiber har været en grundpille i flyproduktionen. Hvis den er skabt på den rigtige måde, disse lange tråde af carbonbaserede atomer, smallere end menneskehår, er lette, stiv og stærk - en perfekt applikation til at holde passagererne sikre i et køretøj, der skyder miles over jorden.

"Selvom kulfiber har virkelig flotte funktioner, de ville gøre en bil langt dyrere "med den måde, kulfiber fremstilles på nu, sagde Adri van Duin, professor i mekanisk og kemisk teknik, Penn State. "Hvis du kan få disse ejendomme lettere at fremstille, kan du gøre biler betydeligt lettere, sænk omkostningerne ved dem og gør dem mere sikre. "

Kulfiber sælger for omkring $ 15 per pund i dag, og teamet, som omfatter forskere fra Penn State, University of Virginia og Oak Ridge National Laboratory, i samarbejde med branchepartnere Solvay og Oshkosh, ønsker at reducere det til $ 5 pr. pund ved at foretage ændringer i den komplekse produktionsproces. En lavere produktionsomkostning vil øge kulfiberens potentielle anvendelser, herunder i biler. Yderligere, teamets forskning kan sænke omkostningerne ved at producere andre typer kulfiber, hvoraf nogle sælger for op til $ 900 pr. pund i dag.

"I øjeblikket er de fleste kulfiber fremstillet af en polymer kendt som polyacrylonitril, eller PAN, og det er ret dyrt, "sagde Małgorzata Kowalik, forsker i Penn State's afdeling for maskinteknik. "Prisen på PAN udgør omkring 50% af produktionsomkostningerne for kulfiber."

PAN bruges til at skabe 90% af kulfiber, der findes på markedet i dag, men dets produktion kræver en enorm mængde energi. Først, PAN-fibre skal opvarmes til 200-300 grader Celsius for at oxidere dem. Næste, de skal opvarmes til 1, 200-1, 600 grader Celsius for at omdanne atomerne til kulstof. Endelig, de skal opvarmes til 2, 100 grader Celsius, så molekylerne flugter korrekt. Uden denne række trin, det resulterende materiale ville mangle den nødvendige styrke og stivhed.

Holdet rapporterede i en nylig udgave af Videnskab fremskridt at tilføjelse af spormængder af grafen-kun 0,075 vægtprocent koncentration-til de første faser af denne proces tillod teamet at oprette en kulfiber, der havde 225% større styrke og 184% større stivhed end de konventionelt fremstillede PAN-baserede kulfiber.

Teamet fik indsigt i de kemiske reaktioner, der finder sted gennem en række små og store computersimuleringer udført på flere supercomputere, Institute for Computational and Data Sciences (ICDS) Advanced CyberInfrastructure; National Science Foundation (NSF) -finansieret CyberLAMP, som vedligeholdes af ICDS; og det NSF-finansierede Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), et multiinstitutternetværk af supercomputere og beslægtede ressourcer. De studerede også egenskaberne for hvert materiale ved hjælp af laboratorier i Penn State's Materials Research Institute (MRI).

"Vi forbandt eksperimenter i forskellige skalaer for ikke kun at vise, at denne proces virker, men det gav os en atomistisk grund til, at disse typer tilsætningsstoffer virker, "sagde van Duin, også direktør for MR's Materialer Computation Center og en ICDS -medarbejder. "Den viden giver os mulighed for at optimere processen yderligere."

Den flade struktur af grafen hjælper med at justere PAN -molekyler konsekvent i hele fiberen, som er nødvendig i produktionsprocessen. Yderligere, ved høje temperaturer har grafenkanter en naturlig katalytisk egenskab, så "resten af ​​PAN kondenserer omkring disse kanter, "sagde van Duin.

Med den nye viden opnået fra denne undersøgelse, teamet undersøger måder at yderligere bruge grafen i denne produktionsproces ved hjælp af billigere forstadier, med et mål om at afskære et eller flere af produktionstrinnene helt, derved reducere omkostningerne endnu mere.