蓋世汽車訊 現(xiàn)在全球都在努力提高汽車和其他車輛的能效，以控制溫室氣體排放，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。人們正在尋找一種更輕、具有足夠強(qiáng)度的車身材料。

（圖片來源：MIT）

由碳纖維制成的輕質(zhì)材料具有卓越的強(qiáng)度，同時(shí)重量較輕。但是，與鋼或鋁材相比，利用這種材料制造同等結(jié)構(gòu)元件的成本更高。據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）等機(jī)構(gòu)的研究人員提出一種新方法，可利用超低成本原料來制造輕質(zhì)碳纖維，即石油煉制過程中產(chǎn)生的重而粘稠的廢料。目前，煉油廠將這些材料用于瀝青等低價(jià)值應(yīng)用，甚至當(dāng)作廢棄物處理。

這種新型碳纖維的制造成本更低，而且具有抗壓強(qiáng)度，可用于承重應(yīng)用，比傳統(tǒng)碳纖維更有優(yōu)勢(shì)。MIT研究科學(xué)家Nicola Ferralis表示：“與30年前相比，現(xiàn)在同等車型的重量提高了約15%。”這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)更大，制動(dòng)系統(tǒng)更強(qiáng)勁等。因此，減輕車身或其他組件的重量具有多重意義。利用由碳纖維制成的復(fù)合材料并不是一個(gè)新想法，但是目前這種材料僅用于少數(shù)昂貴車型。這項(xiàng)新研究旨在改變這種情況，提供低成本原材料和相對(duì)簡單的加工方式。

研究人員表示，目前車用優(yōu)質(zhì)碳纖維的價(jià)格，至少為每磅10-12美元。相比之下，鋼材為每磅75美分，鋁為2美元。而且，這些價(jià)格波動(dòng)較大，往往依賴國外資源。在此基礎(chǔ)上，用碳纖維制造一輛皮卡，其成本可能是鋼的兩倍。這些纖維通常由源自石油的聚合物制成（如聚丙烯腈），但是需要通過中間步驟來聚合碳化合物，成本較高。聚合物的成本占最終纖維總成本的60%以上。

該團(tuán)隊(duì)的新方法不使用經(jīng)過精煉和加工的石油產(chǎn)品，而是采用精煉過程中留下的渣滓，即石油瀝青。 Ferralis表示：“這就是有時(shí)所說的桶底。這些石油瀝青很雜亂，是混合重碳?xì)浠衔锏拇箅s燴。但這正是有趣的地方，因?yàn)橛刑嗟幕瘜W(xué)物質(zhì)可以利用，使其成為有吸引力的材料。”這些材料沒法燃燒。實(shí)際上可以燃燒，但是因?yàn)樘K而無法實(shí)施，尤其是現(xiàn)在環(huán)境法規(guī)如此嚴(yán)格的情況下。“這些產(chǎn)品的固有價(jià)值很低，所以經(jīng)常被填埋。” 研究人員還測(cè)試了一種瀝青的替代來源——煤瀝青。這是一種類似的材料，是煉焦煤（可用于鋼鐵生產(chǎn)）的副產(chǎn)品。該過程大約產(chǎn)生80%的焦炭和20%的煤瀝青，“這基本上是一種浪費(fèi)。”

該團(tuán)隊(duì)與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的研究人員合作，著手尋找預(yù)測(cè)性能的方法，以指導(dǎo)選擇制造實(shí)驗(yàn)條件。ORNL擁有在不同條件生產(chǎn)碳纖維的專業(yè)知識(shí)。Ferralis表示：“實(shí)際上，從能源需求和實(shí)際加工的角度來看，利用瀝青來制造碳纖維的過程非常簡單。”

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(huì)發(fā)生巨大變化，”而工業(yè)材料需要具有非常一致的性質(zhì)。通過具體模擬組成分子之間形成的鍵和交聯(lián)方式，可以開發(fā)出一種方法，預(yù)測(cè)一組給定加工條件如何影響最終的纖維性能。“研究人員能夠以驚人的精確度重現(xiàn)結(jié)果。通過這些圖表，各公司可以預(yù)測(cè)纖維的密度和彈性模量等特征。”

研究結(jié)果顯示，通過調(diào)整起始條件，所制造的碳纖維不僅張力強(qiáng)，而且具有很強(qiáng)的抗壓能力，有望用于承重應(yīng)用。這為這些材料的應(yīng)用開辟了全新可能性。

美國能源部呼吁，將輕質(zhì)材料的成本降至每磅5美元以下。然而，MIT研究小組估計(jì)，其方法可以做得更好，達(dá)到每磅3美元左右。當(dāng)然，這需要詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)分析。

這項(xiàng)工作得到了美國能源部的支持。研究人員表示，這種正在開發(fā)的新途徑不僅僅帶來成本效應(yīng)，除了汽車，還可能開辟新的應(yīng)用。制造傳統(tǒng)纖維復(fù)合材料的過程比較復(fù)雜，其中之一必須將纖維制成布料，并以精確、詳細(xì)的圖案鋪展，這是“為了彌補(bǔ)抗壓強(qiáng)度的不足。”克服材料缺陷是工程設(shè)計(jì)需要解決的問題，但有了新工藝，不必再這么復(fù)雜。

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