麻省理工研究人员使用石油沥青制造车身材料

2022年04月01日 23:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

随着世界努力提高汽车和其他车辆的效率,以遏制温室气体排放并提高电动汽车的续航能力,人们正在寻找更轻的材料,其强度足以用于汽车的车身。

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由碳纤维制成的轻质材料,类似于用于一些网球拍和自行车的材料,结合了卓越的强度和低重量,但这些材料的生产成本比由钢或铝制成的类似结构件要高。现在,麻省理工学院和其他地方的研究人员想出了一种用超廉价原料制造这些轻质纤维的方法:炼油过程中留下的沉重、粘稠的废料,这些材料今天被炼油厂提供给低价值的应用,如沥青,或最终作为废料处理。


新的碳纤维不仅制造成本低,而且它比传统的碳纤维材料有优势,因为它可以有压缩强度,这意味着它可以用于承重应用。2022m年3月18日,《科学进展》杂志在研究生阿斯米塔-贾纳、研究科学家尼古拉-费拉利斯、教授杰弗里-格罗斯曼以及麻省理工学院、怀俄明州西部研究所和田纳西州橡树岭国家实验室的其他五人的一篇论文中描述了这一新工艺。


这项研究大约在四年前开始,以响应能源部的要求,该部正在寻求通过降低汽车的整体重量使其更加高效和减少燃料消耗的方法。更重的汽车需要更大的发动机,更强的刹车,等等,所以减少车身或其他部件的重量会产生连锁反应,产生额外的减重。美国能源部正在推动轻质结构材料的发展,这些材料不仅可以与今天的传统钢板的安全性相媲美,而且其制造成本也足够低,有可能在标准车辆中完全取代钢材。

由碳纤维制成的复合材料并不是一个新的想法,但迄今为止,在汽车领域,它们只被用于少数非常昂贵的车型。这项新的研究旨在通过提供低成本的起始材料和相对简单的加工方法来扭转这一局面。目前汽车用碳纤维的质量至少为每磅10至12美元,而且"可能会更高",对于像航天器部件这样的特殊应用,每磅可达数百美元。相比之下,钢的价格约为每磅75美分,铝的价格为2美元,尽管这些价格波动很大,而且这些材料往往依赖外国来源。他说,按照这些价格,用碳纤维而不是钢制造一辆皮卡的成本大约会增加一倍。


这些纤维通常由来自石油的聚合物(如聚丙烯腈)制成,但要使用昂贵的中间步骤来聚合碳化合物。聚合物的成本可能占到最终纤维总成本的60%以上。现在该团队的新方法不是从使用精炼和加工的石油产品开始,而是使用基本上是精炼过程后剩下的渣滓,一种被称为石油沥青的材料,它是一个混合重碳氢化合物的大杂烩。

研究人员通过仔细模拟组成分子之间的键的形成和交联方式,研究人员能够开发出一种方法来预测一组给定的加工条件将如何影响所产生的纤维特性,以至于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。这项工作产生的结果显示,通过调整起始条件,可以制造出不仅在张力下很强的碳纤维,而且在压缩时也很强,这意味着它们有可能被用于承重应用。

能源部呼吁项目将轻质材料的成本降至每磅5美元以下,但麻省理工学院团队估计他们的方法可以做得更好,达到每磅3美元左右。

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