利用石油渣制造碳纤维复合材料

  • 2022-05-09 19:06:31
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请您介绍一下您自己和您的专业背景?

我叫NicolaFerralis,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碳储能中心的项目经理。我是意大利人,拥有帕多瓦大学物理学学士和硕士学位以及博士学位。以优异成绩获得宾夕法尼亚州立大学实验凝聚态物理博士学位,在那里我是美国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,我开发了新技术来识别复杂的碳基纳米材料中的功能-性能关系。我目前在能源收集系统(从光伏到地热系统)、水过滤和化学分离、基于天然碳质材料的电子和传感系统以及天然碳材料的连续增材制造等领域领导了多个碳材料设计和开发研究项目。碳基产品,从纤维到薄膜和膜。

什么是碳纤维,为什么它们的性能如此受欢迎?

碳纤维(CF)是直径为5-10微米的纤维,主要由芳香碳域制成。CF具有几个优点,例如高刚度、高拉伸强度、高强度重量比、高耐化学腐蚀、耐高温和耐受性以及低热膨胀。所有这些特性使CF不仅具有竞争力,而且通常优于金属,因为这些特性可以在更轻的重量下实现。

重要的是要注意不能单独使用纤维,因为它们看起来像一缕未捆扎的头发。因此,它们被编织成织物并用环氧树脂浸渍以制成复合材料,固化后将形成最终部件。编织工艺不仅需要为所需部件提供所需的结构,还需要优化负载分布。

此外,虽然纤维具有非常高的拉伸强度和弹性模量,但它们的压缩对应物却没有那么好。这在复合级别和CF级别都是如此。为简单起见,这是因为CF中的碳质分子堆叠为石墨片(类似于石墨),因此它们的高拉伸强度源自这些片内非常强的碳键。然而,在压缩下,较弱的层间结合限制了CF的强度。这实质上是CF分子结构非常各向异性的结果。在复合材料中,这通过机织织物的特定设计在很大程度上得到缓解。

然而,一种可以同时实现高强度和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?

在汽车工业中部署碳纤维的主要限制是成本。碳纤维(无论使用何种原料)的价格为10-15美元/磅,对于航空航天应用来说甚至更高(大多数火箭和几架新一代飞机使用50%以上的部件由碳纤维复合材料制成),具体取决于它们的特性。作为参考,铝目前的价格为2美元/磅,而钢的价格为0.50美元/磅)。理想情况下,碳纤维需要同样便宜:然而,每磅成本并不是唯一的衡量标准。由于与金属相比具有较高的强度重量比,您可以使用更少的CF来为较重的金属部件实现相同的性能。

如果成本与金属相当,您可以在汽车中需要结构强度的任何地方部署CF,从底盘到结构元件(车顶、车门)和外板。

原则上,您还可以制造轮辋、座椅框架——我们目前使用的任何金属部件。您还可以更换和重新设计塑料组件,使其既具有结构性又具有美学功能。当然,这不仅仅是为了营销:CF将始终比金属更轻、更坚固,在高耐腐蚀性方面具有额外的好处,因此对特定油漆和处理的需求更少。BMWi3是为数不多的配备CF复合材料车架的量产车之一,车架完全裸露且未上漆。

最终,CF汽车会更轻(一些估计会导致30-40%),这可能会导致发动机更小,或者对于电动汽车来说,电池组更小更轻,最终会带来更大的节省。不幸的是,如此大规模的部署成本仍然太高(即使是3美元/磅)。然而,在这个成本范围内,可以预见到比我们现在在超级跑车中看到的更重要的部件,例如底盘、车顶和重型系统支撑件(动力总成、悬架等)的部件。,目前使用钛和铝的地方。

即使在这种有限的部署中,CF也可以提供显着的重量重新分配优势。例如,汽车(车顶)高处的轻质部件降低了重心,提供了更好、更安全的操控性。

您已经设法从石油精炼废料形式的廉价原料中制造出碳纤维。您能否描述一下您是如何做到这一点的?

这项工作结合了复杂的计算模型和最先进的碳纤维制造设施(包括实验室规模和中试规模),以开发新的优化配方,用于从烃沥青制造碳纤维。这项工作的首要目标不是开发一个框架,而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特性和结构特征。

模型的关键是对实验数据的极大依赖,不仅是为了验证模型,而且允许建模和实验纤维之间存在一对一的关系。因此,纤维前体(沥青)中分子化合物的选择是通过从实验室中使用的实际沥青的质谱数据中选择分子大小、功能和分布来实现的。

同时,当测试纤维模型的弹性时,密度和弹性模量的获得值直接(即没有参数校正)与来自在相同条件下制造的实验纤维的测试数据进行评估。考虑到这种实验驱动的方法,模型是分步开发的。

首先,沥青前体分子是异质的;因此,我们认为初始分子的形状、大小、官能团和分散性会影响最终的性质。其次,所使用的制造程序会导致诸如密度、温度、氧扩散速率等工艺参数,这些参数也会影响最终性能。这两个因素导致我们可以研究一个大的参数空间。

我们想设计一个建模框架,能够准确地预测纤维供实验人员使用,因此我们决定选择我们的参数和设计策略来密切复制实验程序。为了解释初始前体分子的异质性,我们使用了实验合作者提供给我们的光谱,并设计了我们的初始分子组,以便它们可以复制光谱。接下来,为了说明制造过程,我们做了以下工作:

为了解释中间相转化和熔体纺丝步骤导致的排列增加,我们为每个系统设计了两个子系统:一个是分子(在盒子中)随机放置,从而模拟各向同性间距,另一个是分子沿给定方向对齐,从而对中间相间距进行建模。

由于稳定和碳化的点都是在相邻分子之间建立交联,我们通过最初去除初始碳氢化合物中的一定比例的氢原子来激活交联位点来模拟这一点。

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,一些提议的CF模型用于在实验室中生产性能相同的纤维,验证性能目标以及与现有制造设施和方法的兼容性。此外,它还导致开发了一种具有高拉伸和压缩模量的新型高密度碳纤维。这是新颖的,因为大多数CF具有高拉伸性能但抗压性能较差,因此未来的采用将导致在承重应用上的部署。

这些新的基于废物的碳纤维的性能与传统生产的纤维相比如何?

从纯粹的性能角度来看,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-PAN作为聚合物前体)一样好。然而,pitch-CF的主要吸引力在于潜在的成本节约。在基于PAN的CF中,主要成本来自前体本身,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。目前,基于沥青的CF主要部署在高端市场(航空航天),不仅因为它们的机械性能,而且还因为它们的热性能,因为它们具有非常高的导热性。

作为副产品的石油沥青是不可燃的并且经常被填埋。将这些废物用于碳纤维生产将如何帮助多个行业变得更加环保?

目前作为焦化或石油精炼副产品的沥青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(这依赖于一系列加热步骤)以最大限度地提高沥青产量,例如,使用可再生能源可以做到这一点。

从本质上讲,沥青的广泛使用不应与它是从用于生产燃烧产品的过程中生产出来的事实联系起来的。正如我们对许多其他开采元素(例如从锂到钴)所做的那样,它应该被视为一种可以直接使用的资源,而不是因为其他工艺。

再一次,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。好处可能是巨大的,不仅是在替代其他材料(如钢,它确实需要类似的高温和碳密集型工艺),而且对于更轻、更高效的车辆也是如此。

例如,从波音767或空客A330(由金属合金制成)过渡到波音787或空客A350(其中CF复合材料占飞机的50%),使得后者的效率更高,以相似数量的燃料运行更长的时间,并且在不同的操作条件下显着提高了刚性。例如,从金属合金到低热膨胀碳复合材料的过渡允许此类飞机在机舱内模拟相当于约6000英尺高度的气压,而通常为约8000英尺,从而带来更好的旅行舒适度和更高的氧气水平.

此外,这些飞机的窗户更大,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;当应用于汽车时,人们也可以设想类似和新颖的设计进步。当然,航空受到成本的影响较小,即使在CF的高成本下,飞机也具有完全的商业竞争力。然而,它强调了如果成本降至3美元/磅左右,汽车也可以实现类似的收益。

通常,用于汽车制造的碳纤维非常昂贵。本研究中生产的低成本复合材料如何彻底改变汽车行业?

如上所述,与PAN相比,主要的成本节约来自沥青成本的大幅降低。正如我们在为美国能源部(谁赞助了这项工作)提供的公开报告中所强调的那样,该报告可在此处获得[1],我们可以以低于5美元/磅的价格促进实现碳纤维的工业生产,事实上,工艺优化后低于3美元/磅。

通过这种优化以实现性能和材料特性的一致性,可以直接部署纤维。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)性能至少在某种程度上允许我们通过纤维排列和复合材料的设计方式将单根纤维固有的强拉伸性能转化为足够的压缩性能。也就是说,在压缩下本质上可以表现良好的光纤可以简化制造过程。

除了汽车制造,这些碳纤维还能用于哪些其他应用?

一种潜在的应用是建筑物的结构元件。目前,CF不能用于例如钢筋,因为它们没有足够的抗压性能。这可能会随着各向同性的沥青纤维而改变。当然,在这项关于沥青处理的工作中获得的知识使其能够用于制造高度工程化的碳材料,例如薄膜(用于电子设备[2,3])以及纳米过滤和纳米分离膜.

该材料是否有任何尚未克服的限制?

在这个阶段,这里生产的CF在其性能和可能的工业可行性方面具有很高的前景,但需要做更多的工作才能将合成工艺从实验室规模发展为成熟的大规模制造现实。虽然这听起来微不足道,但对于从几克到吨的任何材料来说,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,因此需要更多的研究来最大限度地增加复合材料中CF的数量,同时减少将它们粘合在一起的环氧树脂的数量。

在您看来,这项研究对您来说最令人兴奋的方面是什么?

作为一名材料科学家,将原子模型直接连接到生产中非常真实的材料的能力是关键,因为它可以预测如何优化制造过程。但实际上,我最兴奋的是前景,现在得到这项工作和我们为美国能源部进行的分析的支持,可以以极具竞争力的成本制造CF。

因此,CF成为主流的反复出现的希望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。在设计高科技材料时使用副产品(通常是废物)的可持续性论证是我认为的最高目标。

什么是下一个步骤?您会继续开发新型绿色材料,尤其是碳纤维吗?

我们的主要目标是进一步发展我们的CF设计工艺,超越纤维并进入碳复合材料。例如,如何优化属性及其可变性并将其升级为编织复合材料?我们正在研究的另一个方面是优化沥青的化学成分,以减轻制造中最耗能的步骤,即高温碳化。

除了控制密度的新工艺之外,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,而且可以通过提供具有可比拉伸和压缩性能的CF进一步扩大CF空间。从长远来看,我们正在应用这个建模框架来表征纤维(或沥青基碳系统,如薄膜和膜)的机械性能,以及它们的热和电性能。

广泛调整电子和热量如何穿过CF的能力可以使CF做更多的事情,而不仅仅是提供结构支撑,还可以增强热传递(或提供绝缘),或充当电极或电绝缘体。

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