MIT利用石油残渣制造轻质碳纤维 成本更低/可用于汽车

现在全球都在努力提高汽车和其他车辆的能效，以控制温室气体排放，提高电动汽车的续航里程。人们正在寻找一种更轻、具有足够强度的车身材料。

（图片来源：MIT）

由碳纤维制成的轻质材料具有卓越的强度，同时重量较轻。但是，与钢或铝材相比，利用这种材料制造同等结构元件的成本更高。据外媒报道，麻省理工学院（MIT）等机构的研究人员提出一种新方法，可利用超低成本原料来制造轻质碳纤维，即石油炼制过程中产生的重而粘稠的废料。目前，炼油厂将这些材料用于沥青等低价值应用，甚至当作废弃物处理。

这种新型碳纤维的制造成本更低，而且具有抗压强度，可用于载荷应用，比传统碳纤维更有优势。MIT研究科学家Nicola Ferralis表示：“与30年前相比，现在同等车型的重量提高了约15%。”这意味着发动机更大，制动系统更强劲等，因此减轻车身或其他组件的重量具有多重意义。利用由碳纤维制成的复合材料并不是一个新想法，但是目前这种材料仅用于少数昂贵车型。这项新研究旨在改变这种情况，提供低成本原材料和相对简单的加工方式。

研究人员表示，目前车用优质碳纤维的价格，至少为每磅10-12美元。相比之下，钢材为每磅75美分，铝为2美元。而且，这些价格波动较大，往往依赖国外资源。在此基础上，用碳纤维制造一辆皮卡，其成本可能是钢的两倍。这些纤维通常由源自石油的聚合物制成（如聚丙烯腈），但是需要通过中间步骤来聚合碳化合物，成本较高。聚合物的成本占最终纤维总成本的60%以上。

该团队的新方法不使用经过精炼和加工的石油产品，而是采用精炼过程中留下的渣滓，即石油沥青。 Ferralis表示：“这就是有时所说的桶底。这些石油沥青很杂乱，是混合重碳氢化合物的大杂烩。但这正是有趣的地方，因为有太多的化学物质可以利用，使其成为有吸引力的材料。”这些材料没法燃烧。实际上可以燃烧，但是因为太脏而无法实施，尤其是现在环境法规如此严格的情况下。“这些产品的内在价值很低，所以经常被填埋。” 研究人员还测试了一种沥青的替代来源——煤沥青。这是一种类似的材料，是炼焦煤（可用于钢铁生产）的副产品。该过程大约产生80%的焦炭和20%的煤沥青，“这基本上是一种浪费。”

该团队与橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）的研究人员合作，着手寻找预测性能的方法，以指导选择制造实验条件。ORNL拥有在不同条件生产碳纤维的专业知识。Ferralis表示：“实际上，从能源需求和实际加工的角度来看，利用沥青来制造碳纤维的过程非常简单。”

MIT研究生Asmita Jana解释，沥青“由不同种类的分子组成，如果改变形状或大小，可以预料到其性质会发生巨大变化，”而工业材料需要具有非常一致的性质。通过具体模拟组成分子之间形成的键和交联方式，可以开发出一种方法，预测一组给定加工条件如何影响最终的纤维性能。“研究人员能够以惊人的精确度重现结果。通过这些图表，各公司可以预测纤维的密度和弹性模量等特征。”

研究结果显示，通过调整起始条件，所制造的碳纤维不仅张力强，而且具有很强的抗压能力，有望用于载荷应用。这为这些材料的应用开辟了全新可能性。

美国能源部呼吁，将轻质材料的成本降至每磅5美元以下。然而，MIT研究小组估计，其方法可以做得更好，达到每磅3美元左右。当然，这需要详细的经济分析。

这项工作得到了美国能源部的支持。研究人员表示，这种正在开发的新途径不仅仅带来成本效应，除了汽车，还可能开辟新的应用。制造传统纤维复合材料的过程比较复杂，其中之一必须将纤维制成布料，并以精确、详细的图案铺展，这是“为了弥补抗压强度的不足。”克服材料缺陷是工程设计需要解决的问题，但有了新工艺，不必再这么复杂。