利用石油残渣创建碳纤维复合材料

AZoM与来自麻省理工学院的博士尼古拉Ferralis谈到他的研究,开发了一种低成本制造碳纤维的过程从碳氢化合物。这项研究可能导致的大规模使用碳纤维复合材料行业,迄今为止是有限的。

你能介绍你自己和你的专业背景吗?

我叫尼古拉Ferralis和我目前研究科学家在美国麻省理工学院材料科学与工程的项目经理和麻省理工学院能源倡议低碳能源储存中心。亚博网站下载亚博老虎机网登录意大利人,我持有学士和硕士学位从帕多瓦大学和物理实验凝聚态物理博士学位以优异的成绩从宾州州立大学,在那里我是一个国家科学基金会研究员研究生研究和教育。亚博老虎机网登录

而综合纳米机械系统中心的博士后研究员在加州大学伯克利分校,我开发了新技术识别函数property关系复杂的碳基纳米材料。亚博网站下载我目前主要几个研究项目碳材料设计和开发领域的能源采集系统(从光伏到地热系统),水过滤和化学分离、电子和传感亚博网站下载系统基于自然碳质材料,和基于自然的碳的连续加法制造的产品,从纤维薄膜,膜。

碳纤维和为什么它们的属性是什么可取的呢?

碳纤维(CF) 5 - 10微米的纤维直径大多是由芳香族碳领域。CFs有几个优势,如高刚度、高强度、高强度重量比,高耐化学腐蚀、耐高温和宽容,和较低的热膨胀。所有这些属性使CFs不仅有竞争力但往往优于金属,因为这些属性可以实现更低的重量。

重要的是要注意,纤维本身不能被使用,因为他们看起来像一串分类定价的头发。因此,他们已经融入面料和浸渍环氧树脂复合,固化后,将导致最后一部分。编织过程不仅需要给所需的结构所需的部分,还优化载荷分布。

此外,纤维有非常高的抗拉强度和弹性模量,抗压同行不一样好。这是正确的综合水平以及CF水平。为简单起见,这是由于碳质分子在CF堆积石墨表(类似于石墨),所以他们的高强度力量来源于很强的碳键在这些表。然而,在压缩、弱层间粘结限制CF的力量。这是本质上的结果非常CF分子结构的各向异性性质。在复合,这在很大程度上减轻通过织物的具体设计。

然而,纤维,可以实现高强度和模量都需要设计一个基本的分子结构,这是我们在这项工作的目标之一:一种新型的各向同性弹性纤维相似的抗拉和抗压性能。

什么限制了使用碳纤维在汽车制造业?

碳纤维的主要限制在部署在汽车行业是成本。慢性疲劳综合症(无论使用的原料),可以运行从10 - 15美元/磅和更高的航空航天应用程序(大多数火箭和几个新一代飞机使用超过50%的部分由碳纤维复合材料),这取决于它们的属性。供参考,目前铝成本2美元/磅,和钢铁是在0.50美元/磅)。理想情况下,碳纤维需要一样便宜,然而,成本每磅不是唯一指标。由于高强度重量比金属相比,您可以使用更少的CFs达到相同的性能更重的金属零件。

如果成本平价与金属,可以部署CF到处都在车里,你需要结构强度,从底盘结构元素(屋顶、门),和外部面板。

图片来源:Composite_Carbonman / Shutterstock.com

原则上,你也可以使车轮钢圈,座位frames-anything我们使用金属零件。你也可以更换和重新设计塑料零件结构和美学功能。这不是只做营销,当然,CF总是会更轻,比金属、添加了好处的高耐腐蚀,所以不需要特定的颜料和治疗。宝马i3,为数不多的批量生产的汽车用碳纤维复合材料框架,框架完全暴露出来,未上漆的。

最终,CF汽车将更轻(一些人估计会导致30 - 40%),这可能导致更小的发动机,或者电动车更小、更轻的电池,最终导致更大的储蓄。不幸的是,成本仍然太高(甚至在3美元/磅)对于这样一个大规模的部署。然而,更广泛的使用,在这种成本支架,可以预见在比我们现在看到的更重要的组件在超级跑车,比如在底盘的部分地区,屋顶,和沉重的系统支持(动力系统、悬挂等),钛和铝目前使用。

即使在这个有限的部署,CF可以提供显著的体重分配效益。例如轻量级组件的车(屋顶)降低重心,提供更好、更安全的处理。

您已经成功地创建碳纤维从廉价原料石油精炼的形式浪费。你能描述你怎么能够这样做呢?

这项工作结合了复杂的计算模型和先进的碳纤维生产设备(在实验室规模和半工业规模)开发新的和优化配方制作碳纤维从碳氢化合物。这个工作的总体目标的发展不是一个,而是一个框架,现实的原子论的模型和相关的CF原型,代表的广泛的性能特性和结构特性的纤维。

模型的关键是重要的依赖不仅实验数据来验证模型,允许建模和实验纤维之间的一对一的关系。因此,选择纤维分子化合物的前体(沥青)是通过选择分子大小、功能和分布质量规范的数据实际音高在实验室使用。

同时,弹性纤维模型检测时,获得的密度和弹性模量的值直接(即没有参数校正)对实验测试数据评估纤维在相同条件下生产。这个实验驱动方法,模型开发的步骤。

首先,球场前体分子异构;所以,我们认为的形状、大小、官能团和分散性的初始分子可能会影响最终的属性。其次,制造过程的结果用于加工参数如密度、温度、氧气扩散速度等也会影响最终的属性。这两个因素导致了大量参数空间是供我们学习。

我们想设计一个建模框架,可以预测纤维准确足够供实验使用,所以我们决定选择参数和设计策略密切复制实验程序。占初始的异质性前体分子,我们使用了光谱实验给我们的合作者和我们最初设计的分子,这样他们可以复制光谱。接下来,考虑到生产过程中,我们做了以下几点:

• 占产生的增加对齐中间相转换和熔体纺丝一步,我们设计了两个子系统的系统:一个分子(箱)随机放置,因此建模各向同性沥青,和其他的分子排列在一个给定的方向,导致中间相沥青的建模。
• 自稳定和碳化点建立相邻分子间交联,我们模拟,通过激活最初交联的网站删除一定分数的氢原子在最初的碳氢化合物。
• 最后,就像实验石墨化步骤中,我们也接受(模拟)纤维碳化后我们得到了一步高温对于一个给定的时间内,列表随后的弹性模量。

至关重要的是,几个同样的CF模型被用来产生执行纤维在实验室里,验证绩效目标以及兼容性与现有生产设备和方法。此外,它开发了一种新型高密度与高强度碳纤维和压缩模量。这是小说,大部分CF高强度性能,但抗压性能差,所以未来的应用将导致在承载应用程序的部署。

这些新的基于废物的碳纤维的特性如何比较传统生产的纤维?

单纯从性能的角度来看,pitch-based纤维一样可以执行常规聚合物纤维(使用polyacrylonitrile-PAN作为聚合物前体)。然而,主要pitch-CF画是潜在的成本节约。聚丙烯腈基碳纤维的主要成本是前体本身,和过渡到球场,据我们估计,降低原料成本的2 - 3倍。

这是使用“废物”原料的优势,而不是一个精心设计的聚合物。Pitch-based CFs目前主要部署在高端市场(航空),不仅为他们的机械性能,热性能,因为他们有很高的热导率。

石油沥青作为副产品不可燃,往往是填埋。将如何利用这浪费碳纤维生产有助于使多个行业环保吗?

当前可用的音调是炼焦的副产品或者宠物炼油不应节的决定性因素。可口可乐的生产目的是最大化焦炭产量,但仅仅因为它被认为是更有价值。一个有可能重新设计沥青抽提过程(依赖于加热步骤序列)最大化收益,可以做的事情,例如,使用可再生能源。

图片来源:Composite_Carbonman / Shutterstock.com

从本质上讲,球场上的广泛可用性不应该与它产生的过程用于生产燃烧产品。它应该考虑,因为我们做许多其他开采元素(例如,从锂钴),作为一种资源,可以直接使用,而不是因为其他进程。

再一次,巨大的可用性和低成本,结合智能和可持续的开采实践,可以充分利用pitch-based CF在碳零部署。好处可能是实质性的,不只是在更换其他材料(如钢,这确实需要类似的高温和碳密集型过程),而且对更轻、更高效的汽车。亚博网站下载

作为一个例子,从波音767和空客A330的转变(由金属合金)波音787和一架空客A350 (CF复合材料占50%的飞机),允许后者更高效,运行了相同数量的燃料,和显著提高刚度不同的操作条件。例如,从金属合金过渡到低碳复合材料热膨胀允许这样的飞机模拟舱内气压相当于~ 6000英尺的高度,相比一般的~ 8000英尺,导致更好的旅行舒适和更高的氧含量。

此外,这些飞机功能更大的窗户,由于这一事实更强的机身结构补偿较大的开口。这些进步CF内在属性的直接结果;你可以想象一下,类似的和新颖的设计进步当应用到汽车。当然,航空不受成本的影响,允许飞机完全具备商业竞争力甚至在CF的高成本。然而,这突显出,如果成本将降至~ 3美元/磅,可以实现与汽车类似的涨幅。

通常,使用碳纤维在汽车制造业是非常昂贵的。怎么能这样的低成本复合材料生产的这项研究彻底改变汽车工亚博网站下载业吗?

如上所述,主要的成本节约很大程度上来自于降低成本的音调而锅。作为我们在公开报告强调美国能源部(谁赞助这项工作),可以在这里[1],我们可以方便的实现工业生产的碳纤维在不到5美元/磅,事实上,低于3美元/磅的优化过程。

这样的优化来实现性能的一致性和材料特性,纤维可以直接部署。亚博网站下载然而,当使用高密度各向同性的路线我们发现这项工作作为替代传统的碳化和石墨化路线,进一步上涨可以实现在承载应用程序(或优化的实现,通过减少所需的总量)。

此外,纤维嵌入在一个复合使用编织纤维安排。各向同性(拉伸和压缩)性能允许我们,至少在某种程度上,翻译的内在强大的抗拉性能单纤维到足够的抗压性能的纤维排列和组合设计。本质上说,这种纤维可以表现良好在压缩允许简化制造过程。

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这些碳纤维汽车制造业以外的其他应用程序也可能被用于?

一个潜在的应用程序是在建筑物的结构元素。目前,CF不能用于,钢筋,因为他们没有足够的抗压性能。与各向同性沥青纤维可能会改变。当然,知识获取在这个球场工作处理允许其使用高度设计制造的碳材料,如电影(电子[2、3])以及nano-filtration nano-separation膜。亚博网站下载

这种布料有局限性有待克服吗?

在这个阶段,这里的慢性疲劳综合症产生高承诺在他们的表现和可能的工业可行性,但仍需进行更多的研究工作发展从实验室规模成成熟的合成工艺,大规模制造现实。虽然它听起来微不足道,任何材料从几克到吨规模可能需要完全重新设计的所需的工业过程。此外,复合不仅仅是纤维,因此还需要更多的研究来最大化的CFs环氧复合而减少的绑定在一起。

在你看来,什么是最令人兴奋的方面的研究吗?

材料科学家亚博网站下载,能够直接连接一个原子论的模型非常真实的材料生产制造是关键,因为它允许对预测如何优化制造过程。实际上,然而,我最兴奋的是前景,现在由我们执行工作和分析美国能源部门,CFs在高度竞争的成本。

所以,也希望CFs成为主流可能最终在未来几年内成为现实。此外,这可能发生而不是依靠高度工程材料和聚合物,但在石油和煤炭副产品。亚博网站下载可持续性参数使用副产品(并且经常浪费)在设计高技术材料就是我认为的最高目标。亚博网站下载

接下来的步骤是什么?你会继续开发新型绿色材料,尤其是碳纤维吗?亚博网站下载

我们的主要目标是进一步发展我们的CF设计过程除了纤维和碳复合材料。例如,如何优化属性及其变异性和高档机织复合?我们正在另一个方面是优化沥青的化学能够缓解能源密集型步骤的制造,即高温碳化。

这,除了小说过程控制密度,不仅可能使实现高性能CFs以更低的成本和更高的可持续性,但可能会进一步增加CF空间通过提供CFs可比的抗拉和抗压性能。从长远来看,我们不仅应用此建模框架来描述纤维的机械性能(或pitch-based碳系统,如电影和膜)也热,电气性能。

广泛调整电子方式和热能力穿越CFs可能使CFs不仅仅提供结构支撑,而且还增强传热(或提供绝缘),或作为一个电极或绝缘体。

更多的采访AZoM:阀门诊断如何减少排放在化工行业吗?

读者在哪里可以找到更多的信息?

本文研究在科学进步是公开:亚博老虎机网登录

https://www.亚博老虎机网登录science.org/doi/epdf/10.1126/sciadv.abn1905

引用

[1]财团在美国生产的碳纤维(最终报告),https://www.osti.gov/biblio/1829480

[2]激光工程重碳氢化合物:旧材料的新机遇:亚博网站下载https://www.亚博老虎机网登录science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz5231

[3]升级碳质材料:煤、焦油、沥青和超越。亚博网站下载https://www.cell.com/matter/pdf/s2590 - 2385 (21) 00615 - 9. - pdf

关于尼古拉Ferralis

尼古拉Ferralis目前研究科学家在美国麻省理工学院材料科学与工程和项目经理麻省理工学院能源倡议低碳能源储存中心。亚博网站下载亚博老虎机网登录意大利人,他拥有学士和硕士学位从帕多瓦大学和物理实验凝聚态物理博士学位以优异的成绩从宾州州立大学,在那里他是一个国家科学基金会研究员研究生研究和教育。亚博老虎机网登录而综合纳米机械系统中心的博士后研究员在加州大学伯克利分校,他开发了新技术识别函数property关系复杂的碳基纳米材料。亚博网站下载

作为实验研究的首席科学家参加X-Shale MIT-Schlumberger-Shell计划,他率领小说描述的设计方法快速评估非常规油气藏的烃生产力和石油/天然气生产。他目前主要的几个研究项目材料设计和开发领域的能源采集系统(从光伏到地热系统),水过滤,电子和传感系统基于自亚博网站下载然碳质材料;发展超快的机器学习算法,edge-based,使用低能耗检测和表征固体碳物种在空间探索和碳氢化合物的复苏;连续加法制造自然的碳为基础的产品,从纤维薄膜。最近他是一个部门的主要πEnergy-sponsored项目旨在利用密度泛函理论构建碳氢化合物前体模型训练具有预测功能的机器学习算法的chemomechanical特性所需的前体的合成pitch-based和聚丙烯腈基碳纤维。完全集成的原子论的中尺度建模与使用粗粒度的动态模拟和分子反应力场在这个项目中复制的每个阶段碳的合成纤维,目的是预测structure-functional加工条件之间的关系,材料,和最后的机械反应。亚博网站下载