MIT新研究：利用石油殘渣制造輕質(zhì)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(qiáng)度足以用于車身的材料。

由碳纖維制成的輕質(zhì)材料，類似于用于某些網(wǎng)球拍和自行車的材料，兼具出色的強(qiáng)度和重量輕的特點，但與由鋼或鋁制成的類似結(jié)構(gòu)元件相比，這些材料的生產(chǎn)成本更高。如今，麻省理工學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)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(zhì)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(yīng)用，甚至當(dāng)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(tuán)隊的新方法不是從精煉和加工的石油產(chǎn)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?xì)浠衔锏拇箅s燴，“但這就是它的有趣之處，因為有太多的化學(xué)物質(zhì)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(xiàn)在環(huán)境法規(guī)如此嚴(yán)格的情況下。“而且數(shù)量有這么多，”他說，“這些產(chǎn)品的內(nèi)在價值很低，所以經(jīng)常被填埋。”該團(tuán)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(chǎn)）的副產(chǎn)品。這一過程產(chǎn)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(tuán)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(yè)知識，無論從實驗室規(guī)模還是到中試工廠規(guī)模。他們也正著手尋找預(yù)測性能的方法，以指導(dǎo)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(yù)料到其性質(zhì)會發(fā)生巨大變化”，而工業(yè)材料需要具有非常一致的特性。

通過仔細(xì)模擬組成分子之間的鍵形成和交聯(lián)方式，Jana能夠開發(fā)出一種預(yù)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(zhǔn)確度重現(xiàn)結(jié)果，公司可以利用這些圖表，并能夠預(yù)測”纖維的密度和彈性模量等特性。

研究結(jié)果表明，通過調(diào)整起始條件，碳纖維不僅可以像大多數(shù)纖維一樣具有很強(qiáng)的張力，而且還具有很強(qiáng)的壓縮能力，這意味著它們有望用于載荷應(yīng)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(zhì)材料的成本降低到每磅 5 美元以下，但麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊估計他們的方法可以做得更好，達(dá)到每磅 3 美元左右，盡管他們尚未進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)研究分析。

“我們正在開發(fā)的新路線不僅僅是成本效應(yīng)，”Ferralis 說。“它可能會開辟新的應(yīng)用，而且不一定是車輛。”制造傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料的部分復(fù)雜性在于，必須將纖維制成布料并以精確、詳細(xì)的圖案布置。他說，這樣做的原因“是為了彌補(bǔ)抗壓強(qiáng)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(fù)雜性了。

該研究團(tuán)隊包括麻省理工學(xué)院的Taishan Zhu和Yanming Wang、西儲大學(xué)的杰拉米·亞當(dāng)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。