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麻省理工 NicolaFerralis博士介绍如何利用石油渣来制备碳纤维复合材料

   日期:2022-05-17     来源:碳纤维及其复合材料技术    浏览:238    
核心提示:Nicola Ferralis目前是麻省理工
Nicola Ferralis目前是麻省理工学院材料科学与工程系的研究科学家,也是麻省理工学院能源倡议低能量碳储能中心的项目经理。他出生于意大利,在帕多瓦大学获得物理学学士和硕士学位,并在宾州州立大学获得实验凝聚态物理学博士学位,在宾州州立大学担任国家科学基金会研究生研究和教育研究员。
 
作为加州大学伯克利分校集成纳米机械系统中心的博士后研究员,他开发了新技术来识别复杂碳基纳米材料中的功能-性能关系。近期,他成为美国能源部赞助的一个项目的首席科学家,该项目旨在利用密度泛函理论构建碳氢化合物前体模型,以训练机器学习算法,该算法具有合成沥青基和聚丙烯腈基碳纤维所需前驱体纤维化学机械性能的预测能力。
技
什么是碳纤维?为什么它们的性能如此优异?
 
Nicola Ferralis:碳纤维(CF)是直径为5-10微米的纤维,主要由芳香碳结构组成。CF具有高刚度、高拉伸强度、高强度重量比、高耐化学腐蚀性、耐高温性以及低热膨胀性等优点。所有这些特性使CF不仅具有竞争力,而且往往优于金属,因为这种特性可以在更轻的重量下实现。
 
但需要注意的是,CF不能单独使用,因为它们看起来像一束未捆绑的头发。因此,CF被编织成织物并用环氧树脂浸渍,制成复合材料,固化后,将形成最终零件。编织工艺不仅为所需零件提供所需的结构,还需要优化载荷分布。
 
此外,虽然纤维具有很高的拉伸强度和弹性模量,但它们的压缩性能却不太好。这是因为CF中碳分子以石墨片的形式堆叠,它们的高抗拉强度源自这些片中非常强的碳键,但在压缩条件下,弱的层间结合限制了CF的强度。在复合材料中,通过特定的机织物设计可在很大程度上得到缓解。
 
但是,一种既能获得高强度又能实现高模量的纤维需要对分子结构进行根本性的重新设计,这是我们在这项工作中实现的目标之一:一种具有相似弹性拉伸和压缩性能的新型各向同性纤维。
 
是什么限制了碳纤维在汽车制造中的使用?
 
Nicola Ferralis:碳纤维在汽车行业应用的主要限制是成本。无论使用何种原料,CF的价格一般在10-15美元/磅之间,航空航天应用价格要高得多。作为对比,目前铝的价格为2美元/磅,而钢的价格为0.50美元/磅。理想情况下,碳纤维也需要同样便宜:但是每磅的成本并不是唯一的衡量标准。
 
由于与金属相比,CF的强度重量比较高,因此可以使用较少的碳纤维来实现与较重金属零件相同的性能。因此,如果CF成本与金属持平,则可以在汽车零部件中任何需要结构强度的部位均可采用部署CF,从底盘到结构元件(车顶、车门)和外部面板。
 
CF比金属更轻、更坚固,在高耐腐蚀性方面具有额外的优势,因此不需要特殊的油漆和处理。BMW i3是为数不多的采用CF复合材料车架的量产车之一,其车架完全暴露在外且未上漆。CF的应用使得汽车更轻(估计将减重30-40%),这可能会带来更小的发动机,或对于电动汽车而言,电池组可以更小、更轻,最终带来更大的能源和成本节省。
 
您已经成功地从石油精炼废料形式的廉价原料中制造出碳纤维。能否描述一下是如何做到的吗?
 
Nicola Ferralis:这项工作结合了复杂的模型计算和最先进的碳纤维制造设备(实验室规模和中试规模),以开发从沥青中制造碳纤维的新配方。这项工作的首要目标是开发一个现实的原子模型和相关的CF原型,它们代表了纤维的广泛性能和结构特征。
 
模型的关键在于不仅要验证模型,而且要考虑到模型和实验之间的一一对应关系,还需要依赖大量实验数据。因此,通过从实验室使用的沥青质谱数据中选择分子大小、功能性和分布可以选择纤维沥青前驱体的分子化合物。
 
模型是分步骤开发的,首先,沥青前驱体分子是非均相的;因此,认为初始分子的形状、大小、官能团和分散性可能会影响最终性质;其次,所使用的制造工艺会产生诸如密度、温度、氧扩散速率等参数,这些参数也会影响最终性能。这两个因素为研究提供了一个大的参数空间。
 
我们希望设计一个建模框架,能够足够准确地预测纤维,为了解释初始前驱体分子的异质性,我们使用了实验合作者提供的光谱,并设计了初始分子集,以便它们能够复制光谱。接下来,为了说明制造过程,做了以下工作:
 
为了解释因中间相转化和熔融纺丝步骤而产生的排列增加,我们为每个系统设计了两个子系统:一个是随机放置分子,从而模拟各向同性沥青,另一个是分子沿给定方向排列,从而模拟中间相沥青。
 
由于稳定化和碳化的目的都是在相邻分子之间建立交联,因此我们通过去除初始碳氢化合物中一定比例的氢原子来激活交联位点来模拟。
 
最后,就像实验石墨化步骤一样,我们还将碳化步骤后获得的模拟纤维置于高温下一段时间,并将随后的弹性模量制成表格。
 
至关重要的是,几个提出的CF模型用于在实验室生产性能相同的纤维,从而验证性能目标以及与现有制造设施和方法的兼容性。此外,这还导致开发了一种具有高拉伸和高压缩的新型高密度碳纤维。这很新颖,因为大多数CF具有高拉伸性能但压缩性能较差。
 
与传统生产的碳纤维相比,这些新型碳纤维的性能如何?
 
Nicola Ferralis:从纯粹性能的角度来看,沥青基纤维的性能可以与常规聚合物基纤维(使用聚丙烯腈作为聚合物前体)一样好。然而,沥青CF的主要优点是潜在的成本节约。在PAN基CF中,主要成本来自前驱体,根据我们的估计,向沥青的过渡可以将原料成本降低2-3倍。
 
这就是使用“废弃”原料而不是高度工程化的聚合物的优势。沥青基碳纤维目前主要用于高端市场(航空航天),不仅因为它们的机械性能,而且因为它们具有很高的导热性。
 
作为副产品的石油沥青是不可燃的而且经常被填埋。利用这些废物生产碳纤维将如何帮助行业更环保?
 
Nicola Ferralis:目前,沥青作为焦化或石油精炼副产品的可用性不应成为沥青的决定性因素。焦炭的生产旨在最大限度地提高焦炭产量,但这仅仅是因为它被认为更有价值。人们可能会重新设计沥青提取过程以最大限度地提高沥青产量,这可以通过使用可再生能源来实现。
 
从本质上讲,沥青的广泛可用性不应与它是从生产燃烧产品的过程中产生出来的事实联系在一起。它应该被视为一种可以直接使用的资源,此外,大规模的可用性和低成本,再加上智能和可持续的采矿实践,可以在零碳部署中充分利用沥青基CF。这些好处可能是巨大的,不仅可以替代其他材料,还可以用于更轻、更高效的车辆。
 
例如,从波音767或空客A330(由金属合金制成)到波音787或空客A350(CF复合材料占飞机的50%)的过渡,使得后者的效率更高,可使用相似数量的燃料运行更长时间。从金属合金到低热膨胀碳复合材料的转变,使得此类飞机的机舱内模拟气压相当于约6000英尺(通常为约8000英尺)的高度,从而带来更好的旅行舒适性和更高的氧气水平。此外,这些飞机的窗户要大得多,因为更坚固的结构弥补了机身上更大的开口。这些进步是CF固有特性的直接结果。
 
本研究中生产的低成本CF复合材料如何彻底改变汽车行业?
 
Nicola Ferralis:如上所述,与PAN相比,沥青的成本大大降低,从而节约了主要成本。正如我们在为美国能源部提供的公开报告中所强调的,通过优化工艺,我们可以促进工业生产的碳纤维的价格低于5美元/磅(事实上低于3美元/磅)。
 
通过这种优化,可以实现性能和材料性能的一致性,然而,当使用我们在这项工作中确定的高密度各向同性路线作为传统碳化/石墨化路线的替代方案时,可以在承重应用中获得进一步的收益(或通过减少所需的总量来优化以实现这一目标)。
 
此外,使用编织纤维排列将纤维嵌入复合材料中。各向同性(拉伸和压缩)性能至少在一定程度上允许我们通过纤维的排列和复合材料的设计,将单纤维固有的强拉伸性能转化为足够的压缩性能。这就是说,在压缩条件下本质上性能良好的纤维可以简化制造过程。
 
除了汽车制造,这些碳纤维还能用于哪些其他用途?
 
Nicola Ferralis:一个潜在的应用是建筑物的结构元件。目前,CF不能用于钢筋,因为它们没有足够的抗压性能。这可能会随着各向同性沥青纤维而改变。当然,在这项关于沥青处理的工作中获得的知识也可以用于制造高度工程化的碳材料,如薄膜和纳米分离膜。
 
该材料是否有任何有待克服的局限性?
 
Nicola Ferralis:在现阶段,新生产的CF在性能和可能的工业可行性方面都有很高的前景,但要将合成工艺从实验室规模发展到成熟的大规模制造,还需要更多的工作。虽然这听起来可能微不足道,但对于任何从几克到几吨的材料来说,可能需要对所需的工业流程进行彻底的重新设计。此外,复合材料不仅仅是纤维,因此需要进行更多的研究,以最大限度地增加复合材料中的CF数量,同时减少将它们结合在一起的环氧树脂数量。
 
在你看来,这项研究最令人兴奋的方面是什么?
 
Nicola Ferralis:作为一名材料科学家,能够将原子模型直接连接到生产中制造的真实材料是关键,因为它可以预测如何优化制造过程。然而,实际上,我最激动的是,在这项工作中可以以极具竞争力的成本制造CF。因此,CF将成为主流可能在未来几年最终成为现实。此外,这可能发生在不依赖高度工程化的材料和聚合物,而是依赖石油和煤炭副产品的情况下实现的。
 
接下来的工作是什么?会继续开发新的绿色材料,尤其是碳纤维吗?
 
Nicola Ferralis:我们的主要目标是进一步开发CF设计工艺,将将其制造成为CF复合材料。例如,如何优化属性及其可变性,并将其放大为编织复合材料?我们正在研究的另一个方面是优化沥青的化学性质,以缓解制造过程中最耗能的步骤,即高温碳化。
 
除了控制密度的新工艺外,这不仅可以以更低的成本和更高的可持续性实现高性能CF,还可以进一步扩大碳纤维空间。从长远来看,我们正在应用这个建模框架来描述纤维的机械性能,以及它们的热性能和电性能。广泛调节电子和热量在CF中传播的能力,可以使CF不仅仅提供结构支撑,还可以增强热传递或充当电极或电绝缘体。(作者:钱鑫博士)
 
 
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