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MIT新研究:利用石油殘渣制造輕質碳纖維 成本更低/可用于汽車
時間:2022-03-21來源:MIT、蓋世汽車

圖片來源:Nicola Ferralis, MIT


隨著全球正努力提高汽車和其他車輛的效率,以遏制溫室氣體排放,提高電動汽車的使用范圍,人們正在尋找更輕、強度足以用于車身的材料。
 
由碳纖維制成的輕質材料,類似于用于某些網球拍和自行車的材料,兼具出色的強度和重量輕的特點,但與由鋼或鋁制成的類似結構元件相比,這些材料的生產成本更高。如今,麻省理工學院和其他機構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制造這些輕質纖維——即石油精煉過程中留下的沉重、粘稠的廢料。目前,煉油廠將這些材料用于瀝青等低價值應用,甚至當作廢棄物處理。
 
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,這種聚合物的成本占最終纖維總成本的60%以上。該團隊的新方法不是從精煉和加工的石油產品開始,而是使用精煉過程后基本上留下的殘渣,一種被稱為石油瀝青的材料。“這就是我們有時所說的桶底,”費拉里斯說。
 
“石油瀝青十分雜亂,”他說。這是一個混合重碳氫化合物的大雜燴,“但這就是它的有趣之處,因為有太多的化學物質可以利用。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,但是因為太臟而無實際作用,尤其是現在環境法規如此嚴格的情況下。“而且數量有這么多,”他說,“這些產品的內在價值很低,所以經常被填埋。”該團隊還測試了瀝青的另一種來源——煤瀝青,這是一種類似的材料,是煉焦煤(如用于鋼鐵生產)的副產品。這一過程產生約80%的焦炭和20%的煤瀝青,“這基本上是一種浪費,”他說。
 

該團隊與橡樹嶺國家實驗室(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知識,無論從實驗室規模還是到中試工廠規模。他們也正著手尋找預測性能的方法,以指導這些制造實驗的條件選擇。

 

費拉里斯說:“實際上,從能量需求和實際加工兩方面來看,利用瀝青制造碳纖維的過程實際上是極其簡單的。”。

 

MIT研究生Asmita Jana解釋,瀝青“由不同種類的分子組成,如果改變形狀或大小,可以預料到其性質會發生巨大變化”,而工業材料需要具有非常一致的特性。

 

通過仔細模擬組成分子之間的鍵形成和交聯方式,Jana能夠開發出一種預測給定加工條件將如何影響最終纖維性能的方法。她說:“我們能夠以驚人的準確度重現結果,公司可以利用這些圖表,并能夠預測”纖維的密度和彈性模量等特性。

 
研究結果表明,通過調整起始條件,碳纖維不僅可以像大多數纖維一樣具有很強的張力,而且還具有很強的壓縮能力,這意味著它們有望用于載荷應用。這為這些材料的用途開辟了全新的可能性。

 

美國能源部(DOE)呼吁將輕質材料的成本降低到每磅 5 美元以下,但麻省理工學院的團隊估計他們的方法可以做得更好,達到每磅 3 美元左右,盡管他們尚未進行詳細的經濟研究分析。

 

“我們正在開發的新路線不僅僅是成本效應,”Ferralis 說。“它可能會開辟新的應用,而且不一定是車輛。”制造傳統纖維復合材料的部分復雜性在于,必須將纖維制成布料并以精確、詳細的圖案布置。他說,這樣做的原因“是為了彌補抗壓強度的不足。”他說,克服材料的缺陷是一個工程問題,但有了新工藝,就不需要額外的復雜性了。

 

該研究團隊包括麻省理工學院的Taishan Zhu和Yanming Wang、西儲大學的杰拉米·亞當斯以及橡樹嶺國家實驗室的 Logan Kearney和Amit Naskar。這項工作得到了美國能源部的支持。

來源:MIT、蓋世汽車網

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

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

來源:MIT、蓋世汽車網

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