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MIT新研究:利用石油残渣制造轻质碳纤维 成本更低/可用于汽车
时间:2022-03-21来源:MIT、盖世汽车

图片来源:Nicola Ferralis, MIT


随着全球正努力提高汽车和其他车辆的效率,以遏制温室气体排放,提高电动汽车的使用范围,人们正在寻找更轻、强度足以用于车身的材料。
 
由碳纤维制成的轻质材料,类似于用于某些网球拍和自行车的材料,兼具出色的强度和重量轻的特点,但与由钢或铝制成的类似结构元件相比,这些材料的生产成本更高。如今,麻省理工学院和其他机构的研究人员提出了一种新方法,可以用一种超低成本原料来制造这些轻质纤维——即石油精炼过程中留下的沉重、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。
 
这些纤维通常由从石油中提取的聚合物(如聚丙烯腈)制成,但使用昂贵的中间步骤聚合碳化合物。Ferralis说,这种聚合物的成本占最终纤维总成本的60%以上。该团队的新方法不是从精炼和加工的石油产品开始,而是使用精炼过程后基本上留下的残渣,一种被称为石油沥青的材料。“这就是我们有时所说的桶底,”费拉里斯说。
 
“石油沥青十分杂乱,”他说。这是一个混合重碳氢化合物的大杂烩,“但这就是它的有趣之处,因为有太多的化学物质可以利用。这让它成为一种极具吸引力的材料。”而且这些材料不能燃烧。尽管它可以起燃,但是因为太脏而无实际作用,尤其是现在环境法规如此严格的情况下。“而且数量有这么多,”他说,“这些产品的内在价值很低,所以经常被填埋。”该团队还测试了沥青的另一种来源——煤沥青,这是一种类似的材料,是炼焦煤(如用于钢铁生产)的副产品。这一过程产生约80%的焦炭和20%的煤沥青,“这基本上是一种浪费,”他说。
 

该团队与橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的研究人员合作,他们拥有在各种条件下制造碳纤维的专业知识,无论从实验室规模还是到中试工厂规模。他们也正着手寻找预测性能的方法,以指导这些制造实验的条件选择。

 

费拉里斯说:“实际上,从能量需求和实际加工两方面来看,利用沥青制造碳纤维的过程实际上是极其简单的。”。

 

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特性。

 

通过仔细模拟组成分子之间的键形成和交联方式,Jana能够开发出一种预测给定加工条件将如何影响最终纤维性能的方法。她说:“我们能够以惊人的准确度重现结果,公司可以利用这些图表,并能够预测”纤维的密度和弹性模量等特性。

 
研究结果表明,通过调整起始条件,碳纤维不仅可以像大多数纤维一样具有很强的张力,而且还具有很强的压缩能力,这意味着它们有望用于载荷应用这为这些材料的用途开辟了全新的可能性。

 

美国能源部(DOE)呼吁将轻质材料的成本降低到每磅 5 美元以下,但麻省理工学院的团队估计他们的方法可以做得更好,达到每磅 3 美元左右,尽管他们尚未进行详细的经济研究分析。

 

“我们正在开发的新路线不仅仅是成本效应,”Ferralis 说。“它可能会开辟新的应用,而且不一定是车辆。”制造传统纤维复合材料的部分复杂性在于,必须将纤维制成布料并以精确、详细的图案布置。他说,这样做的原因“是为了弥补抗压强度的不足。”他说,克服材料的缺陷是一个工程问题,但有了新工艺,就不需要额外的复杂性了。

 

该研究团队包括麻省理工学院的Taishan Zhu和Yanming Wang、西储大学的杰拉米·亚当斯以及橡树岭国家实验室的 Logan Kearney和Amit Naskar。这项工作得到了美国能源部的支持。

来源:MIT、盖世汽车网

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

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

来源:MIT、盖世汽车网

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