随着世界努力提高汽车和其他交通工具的效率，以抑制温室气体排放并增加电动汽车的续航里程，人们开始寻找更轻、强度足以用于汽车车身的材料。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，结合了优异的强度和低重量，但这些材料的生产成本比由钢或铝制成的可比结构元件更高。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经找到了一种方法，可以从一种极其廉价的原料中制造出这些轻质纤维:提炼石油时留下的沉重、粘糊糊的废料，今天的炼油厂将这些材料用于低价值的应用，如沥青，或最终作为废物处理。
这种新型碳纤维不仅制造成本低廉，而且比传统碳纤维材料更具优势，因为它具有抗压强度，这意味着它可以用于承重应用。这项新技术发表在《科学进展》杂志上，论文作者是麻省理工学院、怀俄明州西部研究所和田纳西州橡树岭国家实验室的研究生阿释密达·贾纳、研究科学家尼古拉·费拉斯、杰弗里·格罗斯曼教授和其他五人。
这项研究开始于大约四年前，是应能源部的要求，该部正在寻找通过减轻汽车总重量来提高汽车效率和减少燃料消耗的方法。“与30年前相比，如果你看一下相同型号的w型车，它要重得多，”费拉里斯说。"同类型汽车的重量增加了15%以上。"
更重的汽车需要更大的发动机，更强的刹车，等等，所以减轻车身或其他部件的重量会产生连锁反应，产生额外的重量减轻。能源部正在推动轻型结构材料的开发，这种材料既能满足当今传统钢板的安全性，又能制造得足够便宜，有可能完全取代标准车辆中的钢材。
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，它们只用于少数非常昂贵的车型。新的研究旨在通过提供低成本的原材料和相对简单的加工方法来扭转这一局面。
煤焦油沥青粉末熔化成粘性液体，通过单丝挤出系统纺成碳纤维，并通过卷绕器收集在辊上。实验室规模的原型旋转设备。致谢:罗根·卡尼，橡树岭国家实验室阿米特·纳斯卡尔，橡树岭国家实验室汽车所需质量的碳纤维目前至少每磅10至12美元，费拉里斯说，对于像航天器部件这样的特殊应用，“可能还会更多”，每磅高达数百美元。相比之下，钢铁每磅约75美分，铝每磅2美元，尽管这些价格波动很大，而且原材料往往依赖国外来源。他说，在这样的价格下，用碳纤维而不是钢铁制造一辆皮卡的成本大约会翻一番。
这些纤维通常由聚合物(例如聚丙烯腈)衍生的石油制成，但是使用昂贵的中间步骤聚合碳化合物。费拉利斯说，聚合物的成本可能占到最终纤维总成本的60%以上。该团队的新方法不是从提炼和加工石油产品开始，而是使用提炼过程后留下的残渣，一种被称为石油沥青的材料。“这就是我们有时所说的桶底，”费拉里斯说。
“球场非常混乱，”他说。这是一个混合重碳氢化合物的大杂烩，“这实际上是它美丽的一面，因为有如此多的化学物质可以利用。这使得它一开始就是一种迷人的材料。”
它对燃烧毫无用处——尽管它能燃烧，但它是一种太脏的燃料，不实用，尤其是在环境法规日益严格的情况下。“垃圾太多了，”他说，“这些产品的内在价值非常低，所以它们经常被填埋。”该团队还测试了沥青的另一种来源，即煤沥青，这是一种类似的材料，是炼焦煤的副产品，用于钢铁生产等。这个过程产生了大约80%的焦炭和20%的煤沥青，“这基本上是一种浪费，”他说。
橡树岭国家实验室的研究人员拥有在各种条件下制造碳纤维的专业知识，从实验室规模一直到中试规模，该团队与他们合作，开始寻找预测性能的方法，以指导这些制造实验条件的选择。
“无论是从能源需求还是从你需要做的实际加工来看，你实际上需要(从沥青)制造碳纤维的过程实际上是非常少的，”费拉利斯说。
煤焦油沥青粉末熔化成粘性液体，通过单丝挤出系统纺成碳纤维，并通过卷绕器收集在辊上。工业中试规模纺纱机。鸣谢:洛根·科尔尼，橡树岭国家实验室阿米特·纳斯卡尔，橡树岭国家实验室贾纳解释说，沥青是“由这些不同种类的分子组成的，如果你改变形状或大小，你会预期性能会发生巨大变化”，而工业材料需要有非常一致的性能。
通过仔细模拟组成分子之间的键形成和交联方式，Jana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最终的纤维性能。“我们能够以如此惊人的准确性重现结果，”她说，“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征。
这项工作产生的结果表明，通过调整起始条件，碳纤维不仅可以像大多数此类纤维一样具有很强的抗拉强度，还可以具有很强的抗压强度，这意味着它们有可能用于承重应用。他们说，这为这些材料的用途开辟了全新的可能性。
能源部呼吁项目将轻质材料的成本降至每磅5美元以下，但麻省理工学院的团队估计他们的方法可以做得更好，达到每磅3美元左右，尽管他们尚未进行详细的经济分析。
“我们正在开发的新路线不仅仅是一个成本效应，”费拉里斯说。“它可能会开辟新的应用，而且不一定是交通工具。”制造传统纤维复合材料的部分复杂性在于，必须将纤维制成布料，并按照精确、详细的图案进行布置。他说，这样做的原因是“为了弥补抗压强度的不足。”他说，克服这种材料的缺陷是一个工程问题，但有了新的工艺，就不需要额外的复杂性了。
该研究小组包括麻省理工学院的朱泰山和，西部保留地大学的杰拉米·亚当斯，橡树岭国家实验室的洛根·卡尼和阿米特·纳斯卡尔。
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