Углеродное волокно армированное графеном

По мнению группы исследователей, новый способ создания углеродных волокон, которые, как правило, дорогие в изготовлении, может в один прекрасный день привести к использованию этих легких, высокопрочных материалов для повышения безопасности и снижения стоимости производства автомобилей.

Используя сочетание компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов, команда обнаружила, что добавление небольшого количества 2-D графена в производственный процесс как снижает производственные затраты, так и укрепляет волокна.

Графен укрепляет углеродное волокно

В течение десятилетий углеродные волокна были основой производства самолетов. Если создать их правильно, то эти длинные пряди атомов на основе углерода, более тонкие, чем человеческие волосы, легкие, жесткие и прочные - идеальное применение для обеспечения безопасности пассажиров в транспортном средстве, парящем в километрах над землей.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

"Несмотря на то, что углеродные волокна обладают очень хорошими свойствами, они делают автомобиль намного дороже", - говорит Адри ван Дуин, профессор машиностроения и химической промышленности из Университета штата Пенсильвания. "Если эти характеристики можно получить более легкими способами, то можно сделать автомобили значительно легче, дешевле и безопаснее".

Углеродное волокно продается сегодня примерно по 15 долларов за фунт, и команда, в которую входят исследователи из Пенсильванского университета, Университета Вирджинии и Окриджской национальной лаборатории, в сотрудничестве с промышленными партнерами Solvay и Oshkosh, хотят снизить этот показатель до 5 долларов за фунт, внеся изменения в сложный производственный процесс. Более низкая себестоимость производства увеличит возможности применения углеродного волокна, в том числе в автомобилях. Кроме того, исследования команды могут снизить стоимость производства других видов углеродного волокна, некоторые из которых сегодня продаются по цене до $900 за фунт.

"В настоящее время большинство углеродных волокон производится из полимера, известного как полиакрилонитрил, или PAN, и это довольно дорого", - говорит Малгожата Ковалик (Małgorzata Kowalik), научный сотрудник Департамента машиностроения из Университета штата Пенсильвания. "Цена PAN составляет около 50% себестоимости производства углеродных волокон".

PAN используется для создания 90% углеродных волокон, которые сегодня присутствуют на рынке, но их производство требует огромного количества энергии. Сначала волокна PAN необходимо нагреть до 200-300 °C, чтобы окислить их. Затем их необходимо нагреть до 1200 - 1600 °C, чтобы превратить атомы в углерод. Наконец, их необходимо нагреть до 2100 °C, чтобы молекулы были выровнены должным образом. Без этой серии этапов полученный материал будет лишен необходимой прочности и жесткости.

В недавнем выпуске журнала Science Advances команда сообщила, что добавление к первым этапам этого процесса всего лишь 0,075% графена по весу позволило создать углеродное волокно, которое обладает на 225% большей прочностью и на 184% большей жесткостью, чем обычные углеродные волокна на основе PAN.

Команда получила представление о химических реакциях, с помощью серии малых и больших компьютерных симуляций, проведенных на нескольких суперкомпьютерах, передовой кибер-инфраструктуре Института вычислений и данных (ICDS), CyberLAMP, финансируемого Национальным научным фондом (NSF) и поддерживаемого ICDS, а также мультиинституциональной сети суперкомпьютеров и связанных с ними ресурсов Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), финансируемой Национальным научным фондом (NSF). Они также изучали свойства каждого материала в лабораториях Пенсильванского государственного института материаловедения.

"Мы соединили эксперименты разных масштабов, чтобы показать не только то, что этот процесс работает, но и то, что он дал нам основание работать с различными добавками", - сказал Ван Дуин, директор Центра вычислений материалов МРТ и ассоциированный с ICDS сотрудник. "Эти знания позволяют нам еще больше оптимизировать процесс".

Плоская структура графена помогает выравнивать молекулы PAN по всему волокну, что необходимо в производственном процессе. Кроме того, при высоких температурах кромки графена обладают естественным каталитическим свойством, так что "остальная часть PAN конденсируется вокруг этих кромок", - говорит ван Дуин.

С новыми знаниями, полученными в результате этого исследования, команда изучает способы дальнейшего использования графена в этом производственном процессе с использованием более дешевых исходников, с целью сокращения одного или нескольких этапов производства в целом, что приведет к еще большему снижению затрат. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet