宾夕法尼亚州立大学的利亚姆·杰克逊 通过实验室实验和计算机模拟，一组研究人员发现，在碳纤维生产过程中加入石墨烯可以大大增强这种材料，这可能有一天会为更高强度、更经济的汽车材料铺平道路
荣誉:玛格丽特·科瓦利克和阿德里·范·杜恩/宾夕法尼亚州立大学 一组研究人员称，一种制造碳纤维的新方法——通常制造成本很高——有朝一日可能会导致使用这些轻质、高强度的材料来提高安全性并降低生产汽车的成本
利用计算机模拟和实验室实验的结合，研究小组发现在生产过程中添加少量的二维石墨烯既降低了生产成本，又增强了纤维
几十年来，碳纤维一直是飞机生产的支柱
如果用正确的方法制造，这些比人的头发还细的长碳基原子，重量轻、坚硬、结实——这是一个完美的应用，可以保证乘客在离地面几英里的飞行器上的安全
宾夕法尼亚州立大学机械和化学工程教授阿德里·范·杜恩说:“尽管碳纤维有着非常好的特性，但以现在碳纤维的制造方式，它们会让汽车贵得多。”
“如果你能让这些特性变得更容易制造，那么你就能让汽车变得更轻，降低成本，更安全
" 碳纤维目前的售价约为每磅15美元，该团队包括宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员，他们与行业合作伙伴苏威和奥什科什合作，希望通过改变复杂的生产流程，将这一价格降至每磅5美元
较低的生产成本将增加碳纤维的潜在应用，包括在汽车上
此外，该团队的研究可能会降低生产其他类型碳纤维的成本，其中一些目前售价高达每磅900美元
宾夕法尼亚州立大学机械工程系的研究员泽戈扎塔·科瓦利克说:“目前大多数碳纤维是由一种叫做聚丙烯腈(PAN)的聚合物制成的，成本相当高。”
“聚丙烯腈的价格约占碳纤维生产成本的50%
" 研究人员发现了一种增强碳纤维的方法，碳纤维广泛应用于航空业，但通常非常昂贵
添加石墨烯提高了材料的强度和硬度，并为制造一种有朝一日可以增强汽车性能的高性价比材料铺平了道路
图中显示的是在碳纤维生长过程中加入石墨烯的计算机模拟
该项目是宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学、橡树岭国家实验室、苏威大学和奥什科什大学的合作项目
聚丙烯腈用于制造90%的碳纤维，这些碳纤维在今天的市场上都能找到，但是它的生产需要大量的能量
首先，聚丙烯腈纤维必须加热到200-300摄氏度才能氧化
接下来，它们必须被加热到1200-1600摄氏度才能将原子转化为碳
最后，它们必须被加热到2100摄氏度，这样分子才能正确排列
如果没有这一系列步骤，最终的材料将缺乏所需的强度和刚度
该团队在最近一期《科学进展》中报道称，添加微量石墨烯——仅0
075%的重量浓度—在该过程的第一阶段，该团队制造出一种碳纤维，其强度比传统制造的聚丙烯腈基碳纤维高225%，刚度比传统制造的聚丙烯腈基碳纤维高184%
该团队通过在几台超级计算机(计算和数据科学研究所(ICDS)高级网络基础设施)上进行的一系列小规模和大规模计算机模拟，对正在发生的化学反应进行了深入了解；由国家科学基金会资助的赛博灯，由ICDS维护；以及由国家科学基金会资助的极限科学与工程发现环境，一个由超级计算机和相关资源组成的多机构网络
他们还利用宾夕法尼亚州立大学材料研究所的实验室研究了每种材料的特性
“我们将不同尺度的实验联系起来，不仅表明这一过程是有效的，还为我们提供了这类添加剂有效的原子尺度的原因，”范·杜恩说，他也是核磁共振成像材料计算中心的主任和ICDS的同事
“这些知识使我们能够进一步优化流程
" 石墨烯的扁平结构有助于聚丙烯腈分子在整个纤维中一致地排列，这是生产过程中所需要的
此外，在高温下，石墨烯边缘具有天然的催化特性，因此“其余的聚丙烯腈在这些边缘凝结，”范·杜恩说
利用从这项研究中获得的新知识，该团队正在探索在生产过程中使用更便宜的前体进一步使用石墨烯的方法，目标是完全省去一个或多个生产步骤，从而进一步降低成本
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