利用石油渣制造碳纖維復合材料

AZoM 與麻省理工學院的 Nicola Ferralis 博士就他的研究進行了交談，該研究開發了一種從碳氫樹脂中制造碳纖維的低成本工藝。這項研究可能導致碳纖維復合材料在迄今為止受到限制的行業中的大規模使用。

1.請您介紹一下您自己和您的專業背景？

我叫 Nicola Ferralis，目前是麻省理工學院材料科學與工程系的研究科學家，也是麻省理工學院能源倡議低能碳儲能中心的項目經理。我是意大利人，擁有帕多瓦大學物理學學士和碩士學位以及博士學位。在賓夕法尼亞州立大學獲得實驗凝聚態物理博士學位，我是賓夕法尼亞州立大學的國家科學基金會研究生研究和教育研究員。

作為加州大學伯克利分校集成納米機械系統中心的博士后研究員，我開發了新技術來識別復雜的碳基納米材料中的性能關系。我目前在能源收集系統（從光伏到地熱系統）、水過濾和化學分離、基于天然碳質材料的電子和傳感系統以及天然碳材料的連續增材制造等領域領導了多個碳材料設計和開發研究項目。碳基產品，從纖維到薄膜和膜。

2.什么是碳纖維，為什么它們的性能如此受歡迎？

碳纖維 (CF) 是直徑為 5-10 微米的纖維，主要由芳香碳結構域制成。碳纖維具有高剛度、高抗拉強度、高強度重比、高耐化學腐蝕、耐高溫和耐高溫、低熱膨脹等優點。所有這些特性使碳纖維不僅具有競爭力，而且往往優于金屬，因為這些特性可以在更低的重量下實現。

需要注意的是，不能單獨使用纖維，因為它們看起來像一縷未捆扎的頭發。因此，它們被編織成織物并用環氧樹脂浸漬以制成復合材料，固化后將形成最終部件。編織工藝不僅要給需要的部分提供所需的結構，還需要優化負載分配。

此外，雖然纖維具有非常高的拉伸強度和彈性模量，但它們的壓縮對應物卻沒有那么好。這在復合級別和碳纖維級別都是如此。為了簡單起見，這是因為碳纖維中的碳質分子堆疊為石墨片（類似于石墨），因此它們的高拉伸強度來自于這些片中非常強的碳鍵。然而，在壓縮下條件下，較弱的層間結合限制了 碳纖維的強度。這實質上是碳纖維分子結構各向異性特性的結果。在復合材料中，這在很大程度上可以通過機織織物的特定設計來緩解。

然而，一種可以同時實現高強度和高模量的纖維需要對分子結構進行根本性的重新設計，這是我們在這項工作中實現的目標之一：一種具有相似彈性拉伸和壓縮性能的新型各向同性纖維。

3.是什么限制了碳纖維在汽車制造中的使用？

在汽車工業中部署碳纖維的主要限制是成本。碳纖維（無論使用何種原料）的價格為 10-15 美元/磅，對于航空航天應用來說甚至更高（大多數火箭和幾架新一代飛機使用 50% 以上的部件由碳纖維復合材料制成），具體取決于它們的特性。舉例來說，鋁目前的價格為 2 美元/磅，而鋼的價格為 0.50 美元/磅）。理想情況下，碳纖維需要同樣便宜：然而，每磅成本并不是唯一的衡量標準。由于與金屬相比具有較高的強度重量比，因此對于較重的金屬部件，您可以使用較少的碳纖維來實現相同的性能。

如果成本與金屬材料相當，您可以在汽車中需要結構強度的任何地方使用碳纖維，從底盤到結構元件（車頂、車門）和外板。

原則上，您還可以制造輪輞、座椅框架——任何我們現在使用的金屬部件。您還可以替換和重新設計塑料組件，使其既具有結構性又具有美學功能。當然，這不僅僅是為了市場 推廣：碳纖維總是比金屬更輕、更堅固，在高耐腐蝕性方面具有更高的優勢，因此不需要特殊的涂料和處理。

BMW i3 是為數不多的配備碳纖維復合材料車架的量產車之一，車架完全裸露且未上漆。

最終，碳纖維汽車會更輕（一些估計會導致 30-40%），這可能會導致更小的發動機，或者對于電動汽車來說，電池組更小更輕，最終會帶來更大的節省。不幸的是，如此大規模的部署成本仍然太高（即使是 3 美元/磅）。然而，在這個成本范圍內，可以預見更廣泛的應用在更重要的部件上，而不是我們現在看到的超級跑車，例如底盤、車頂和重型系統支撐（動力總成、懸架等）的部件，目前使用鈦和鋁的地方。

即使在這種有限的部署中，碳纖維也可以提供顯著的重量重新分配優勢。例如，汽車（車頂）高處的輕質部件降低了重心，提供了更好、更安全的操控性。

4.您已經設法從石油精煉廢料形式的廉價原料中制造出碳纖維。您能否描述一下您是如何做到這一點的？

這項工作結合了復雜的計算模型和最先進的碳纖維制造設施（包括實驗室規模和中試規模），以開發新的優化配方，從碳氫瀝青制造碳纖維。這項工作的首要目標不是開發一個框架，而是開發一個真實的原子模型和相關的碳纖維原型，這些原型代表了纖維廣泛的性能特性和結構特征。

模型的關鍵是對實驗數據的重大依賴，不僅是為了驗證模型，而且允許建模和實驗纖維之間存在一對一的關系。因此，纖維前體（瀝青）中分子化合物的選擇是通過從實驗室中使用的實際瀝青的質譜數據中選擇分子大小、功能和分布來實現的。

同時，當測試纖維模型的彈性時，密度和彈性模量的獲得值直接（即沒有參數校正）與來自在相同條件下制造的實驗纖維的測試數據進行評估?？紤]到這種實驗驅動的方法，模型是逐步開發的。

首先，瀝青前驅體分子是異質的。因此，我們認為初始分子的形狀、大小、官能團和分散性會影響最終的性質。其次，所使用的制造工藝會導致加工參數，如密度、溫度、氧擴散速率等，這些參數也會影響最終性能，這兩個因素為我們的研究提供了很大的參數空間。

我們想設計一個模型框架，可以準確地預測纖維，供實驗者使用，所以我們決定選擇我們的參數和設計策略，以接近復制實驗過程。為了解釋初始前體分子的異質性，我們使用了我們的實驗合作者給我們的光譜，并設計了我們的初始分子集，使它們可以復制光譜。接下來，為了說明制造過程，我們做了以下幾點:

為了考慮中間相轉換和熔融紡絲步驟導致的排列增加，我們為每個系統設計了兩個子系統：一個是分子（在盒子中）隨機放置，從而模擬各向同性間距，另一個是分子沿給定方向對齊，從而模擬中間相的間距。

由于穩定和碳化的關鍵都是在相鄰分子之間建立交聯，因此我們通過首先去除初始碳氫化合物中一定比例的氫原子來激活交聯位點來模擬這一過程。

最后，就像實驗石墨化步驟一樣，我們還將碳化步驟后獲得的（模擬）纖維置于高溫下一段時間，并將隨后的彈性模量制成表格。

至關重要的是，幾種提出的碳纖維模型在實驗室中被用于生產性能相同的纖維，驗證了性能目標以及與現有制造設施和方法的兼容性。此外，它還導致了一種具有高拉伸和壓縮模量的新型高密度碳纖維的開發。這是新穎的，因為大多數碳纖維具有高拉伸性能，但壓縮性能較差，所以未來采用CF將導致在承重應用中部署。

5.與傳統生產的纖維相比，這些新的基于廢物的碳纖維的性能如何?

與傳統生產的纖維相比，這些新的基于廢物的碳纖維的性能如何?

從純性能的角度來看，瀝青基纖維的性能與普通聚合物基纖維(使用聚丙烯腈- pan作為聚合物前驅體)一樣好。然而，瀝青碳纖維的主要吸引力是潛在的成本節約。在基于pan的碳纖維中，主要的成本來自前驅體本身，根據我們的估計，向瀝青的過渡可以將原料的成本降低2-3倍。

這就是使用“廢物”原料的優勢，而不是使用高度工程化的聚合物?；跒r青的碳纖維目前主要應用于高端市場(航空航天)，不僅因為其機械性能，還因為其導熱系數很高的熱性能。

6.作為副產品的石油瀝青是不可燃的并且經常被填埋。將這些廢物用于碳纖維生產將如何幫助多個行業變得更加環保？

瀝青作為焦化或聚酯精煉的副產品，目前的可用性不應成為瀝青的決定性因素。生產焦炭的目的是使焦炭產量最大化，但僅僅是因為人們認為焦炭更有價值。人們可以重新設計瀝青提取過程(這依賴于一系列加熱步驟)，以最大化瀝青產量，這可以通過使用可再生能源來實現。

從本質上講，瀝青的廣泛可用性不應與它是從用于生產燃燒產品的過程中生產出來的事實聯系起來的。正如我們對許多其他開采元素（例如從鋰到鈷）所做的那樣，它應該被視為一種可以直接使用的資源，而不是因為其他工藝。

再一次，大規模的可用性和低成本，再加上智能和可持續的采礦實踐，可以充分利用基于瀝青的CF，實現零碳部署。這種技術的好處可能是巨大的，不僅可以替代其他材料(比如鋼鐵，它確實需要類似的高溫和碳密集工藝)，還可以替代更輕、更高效的汽車。

例如，從波音 767 或空客 A330（由金屬合金制成）到波音 787 或空客 A350（碳纖維復合材料占飛機的 50%），使后者的效率更高，以相似數量的燃料運行更長的時間，并且在不同的操作條件下顯著提高了剛性。例如，從金屬合金到低熱膨脹碳復合材料的過渡使此類飛機能夠在機艙內模擬相當于約 6000 英尺高度的氣壓，而通常為約 8000 英尺，從而提高了飛行的舒適度和氧氣水平。

此外，這些飛機的窗戶更大，因為更堅固的結構彌補了機身上更大的開口。這些進步是碳纖維固有特性的直接結果；當應用于汽車時，人們也可以設想類似和新穎的設計進步。當然，航空受到成本的影響較小，即使在碳纖維的高成本下，飛機也具有完全的商業競爭力。然而，它強調了如果成本降至 3 美元/磅左右，汽車也可以實現類似的收益。

7.通常，用于汽車制造的碳纖維非常昂貴。本研究中生產的低成本復合材料如何徹底改變汽車行業？

如上所述，與 PAN 相比，主要的成本節約來自瀝青成本的大幅降低。正如我們在美國能源部公開發布的報告中強調的那樣(美國能源部贊助了這項工作)，我們可以促進實現碳纖維的工業生產，成本低于5美元/磅，事實上，通過優化工藝，成本低于3美元/磅。

通過這種優化以實現性能和材料特性的一致性，可以直接部署纖維。然而，當使用我們在這項工作中確定的高密度各向同性路線作為傳統碳化/石墨化路線的替代方案時，可以在承重應用中獲得進一步的收益（或通過減少所需的總量來優化以實現這一目標）。

此外，使用編織纖維排列將纖維嵌入復合材料中。各向同性（拉伸和壓縮）性能至少在某種程度上允許，我們通過纖維排列和復合材料的設計方式將單根纖維固有的強拉伸性能轉化為足夠的壓縮性能。也就是說，在壓縮下本質上可以表現良好的光纖可以簡化制造過程。

8.除了汽車制造，這些碳纖維還能用于哪些其他應用？

一種潛在的應用是建筑物的結構元件。目前，碳纖維不能用于鋼筋，因為它們沒有足夠的抗壓性能。這可能會隨著各向同性的瀝青纖維而改變。當然，在這項關于瀝青加工的工作中獲得的知識使其能夠用于制造高度工程化的碳材料，例如薄膜（用于電子產品 ）以及納米過濾和納米分離膜.

9.該材料是否有任何尚未克服的限制？

在這個階段，這里生產的碳纖維在其性能和可能的工業可行性方面具有很高的前景，但需要做更多的工作才能將合成工藝從實驗室規模發展為成熟的大規模制造現實。雖然這聽起來微不足道，但對于從幾克到噸的任何材料來說，可能需要對所需的工業流程進行徹底的重新設計。此外，復合材料不僅僅是纖維，因此需要更多的研究來最大限度地增加復合材料中碳纖維的數量，同時減少環氧樹脂結合在一起的數量。

10.在您看來，這項研究對您來說最令人興奮的方面是什么？

作為一名材料科學家，將原子模型直接連接到生產中非常真實的材料的能力是關鍵，因為它可以預測如何優化制造過程。但實際上，我最興奮的是前景，現在得到這項工作和我們為美國能源部進行的分析的支持，可以以極具競爭力的成本制造碳纖維。

因此，碳纖維成為主流的反復出現的希望可能在未來幾年最終成為現實。此外，這可能發生在不依賴高度工程化的材料和聚合物，而是依賴石油和煤炭副產品的情況下。在設計高科技材料時使用副產品（通常是廢物）的可持續性論證是我認為的最高目標。

11.什么是下一個步驟？您會繼續開發新型綠色材料，尤其是碳纖維嗎？

我們的主要目標是進一步發展我們的碳纖維設計工藝，超越纖維并進入碳復合材料。例如，如何優化屬性及其可變性并將其升級為編織復合材料？我們正在研究的另一個方面是優化瀝青的化學成分，以減輕制造中最耗能的步驟，即高溫碳化。

除了控制密度的新工藝之外，這不僅可以以更低的成本和更高的可持續性實現高性能碳纖維，而且可以通過提供具有相當拉伸和壓縮性能的碳纖維來進一步擴大碳纖維空間。從長遠來看，我們正在應用這個建?？蚣軄肀碚骼w維（或瀝青基碳系統，如薄膜和膜）的機械性能，以及它們的熱和電性能。

廣泛調整電子和熱量如何穿過碳纖維的能力可以使碳纖維做更多的事情，而不僅僅是提供結構支撐，還可以增強熱傳遞（或提供絕緣），或充當電極或電絕緣體。