Новый способ производства углеродного волокна может превратить побочные продукты нефтепереработки в ценные сверхлегкие конструкционные материалы для автомобилей, самолетов и космических кораблей.
Так как мир борется за повышение эффективности автомобилей и других транспортных средств (для ограничения выбросов парниковых газов и увеличение работоспособности электромобилей), продолжается поиск все более легких и достаточно прочных материалов, чтобы их можно было использовать в кузовах автомобилей.
Легкие материалы из углеродного волокна, аналогичные материалам, используемым для изготовления некоторых теннисных ракеток и велосипедов, сочетают исключительную прочность с малым весом, но их производство обходится дороже, чем аналогичные конструктивные элементы из стали или алюминия. Теперь исследователи из MIT и других стран придумали способ изготовления этих легких волокон из сверхдешевого сырья: тяжелых, липких отходов, оставшихся после переработки нефти - материала, который сегодня нефтеперерабатывающие заводы поставляют для малоценных приложений, таких как асфальт, а, итоге, вообще относиться к ним как к отходам.
Новое углеродное волокно не только дешево в производстве, но и имеет преимущества по сравнению с традиционными материалами из углеродного волокна, поскольку оно может иметь прочность на сжатие, что означает, что его можно использовать для несущих конструкций. Новый процесс описан сегодня в журнале Science Advances в статье аспиранта Асмиты Яны, научного сотрудника Николы Ферралис, профессора Джеффри Гроссмана и еще пяти человек (DOI: 10.1126/sciadv.abn1905).
Исследование началось около четырех лет. Мотивацией стал поиск способа сделать автомобили более эффективными и снизить расход топлива за счет снижения их общего веса. «Если вы посмотрите на ту же модель автомобиля сейчас, по сравнению с тем, что было 30 лет назад, вы увидите, что она значительно тяжелее», — говорит Ферралис. «Вес автомобилей в той же категории увеличился более чем на 15%».
Более тяжелый автомобиль требует более мощного двигателя, более сильных тормозов и т. д., поэтому уменьшение веса кузова или других компонентов приводит к общей экономии веса. Энергетика настаивает на разработке легких конструкционных материалов, которые не уступают по безопасности сегодняшним традиционным стальным панелям, но при этом могут быть достаточно дешевыми, чтобы полностью заменить сталь в стандартных автомобилях!
Композиты из углеродных волокон - это далеко не новая идея, но пока что в автомобильном мире они использовались только в нескольких очень дорогих моделях. Новое исследование, которое приведено в этой статье, направлено на то, чтобы изменить ситуацию, предоставив недорогой исходный материал и относительно простые методы обработки.
Сейчас волокна обычно изготавливаются из полимеров (таких как полиакрилонитрил), полученных из нефти, но используют дорогостоящую промежуточную стадию полимеризации углеродных соединений. По словам Ферралиса, стоимость полимера может составлять более 60 процентов от общей стоимости конечного волокна. Вместо того, чтобы использовать для начала очищенный и переработанный нефтепродукт, в новом подходе команды MIT используется то, что по сути представляет собой отбросы, оставшиеся после процесса очистки, материал, известный как нефтяной пек.
Вообще, это мешанина из смешанных тяжелых углеводородов, и на самом деле это то, что делает его в некотором роде красивым, потому что существует там так много химии, которую можно использовать. Это делает его увлекательным материалом.
Его бесполезно использовать для горения; хотя он может гореть, это слишком грязное топливо, чтобы быть практичным, и это особенно актуально в условиях ужесточения экологических норм. Альтернативным источником пека, который также протестировала команда, является каменноугольный пек, аналогичный материал, являющийся побочным продуктом коксующегося угля, используемый, например, для производства стали. Этот процесс дает около 80 процентов кокса и 20 процентов каменноугольного пека, что в основном является отходом.
Тщательно смоделировав способы образования связей и перекрестных связей между составляющими молекулами, ученые смогли разработать способ прогнозирования того, как заданный набор условий обработки повлияет на свойства получаемого волокна.
Работа дала результаты, показывающие, что, регулируя начальные условия, можно сделать углеродные волокна, которые будут не только прочными на растяжение, как большинство таких волокон, но и прочными на сжатие, что означает, что они потенциально могут использоваться в приложениях, несущих нагрузку. По их словам, это открывает совершенно новые возможности для использования этих материалов.
«Новый маршрут, который мы разрабатываем, связан не только с затратами. Это может открыть новые области применения, и это не обязательно должны быть транспортные средства. Часть сложности изготовления обычных волокнистых композитов заключается в том, что волокна должны быть превращены в ткань и уложены в виде точных, детализированных узоров. Причина в том, чтобы компенсировать отсутствие прочности на сжатие» - говорит Ферралис. По его словам, преодоление недостатков материала - вопрос техники, но с новым процессом вся эта дополнительная сложность не потребуется.
