碳纖維具有超強的強度和硬度，而且重量相對較輕，是工程師們喜歡用在各種物件上的材料，而不僅僅侷限於頂級腳踏車、汽車和飛機。不過這種材料卻有著一個非常明顯的劣勢，那就是成本高昂從而限制了它的使用，不過現在，一組科學家發現，透過向生產混合物中新增少量的石墨烯可能會成為不僅讓碳纖維變得更能負擔得起同時還能變得更堅固、更硬。
目前，碳纖維每磅成本約為15美元，而這項新突破背後的研究人員希望有朝一日能將這一價格降至5美元。由來自賓夕法亞州立大學、弗吉尼亞大學和橡樹嶺國家實驗室的科學家組成的研究小組希望透過調整昂貴的生產過程來逐步實現這一目標，進而最終能達到讓碳纖維成為大規模汽車製造商的可行選擇的目標。
賓夕法尼亞州立大學機械和化學工程教授Adri van Duin指出：“儘管碳纖維有很好的特性，但按照現在製造碳纖維的方式，它們會讓汽車變得更加昂貴。如果你能讓這些特性更容易被製造出來，那麼你就能讓汽車明顯變輕、成本得到明顯降低，同時還能讓它們變得更安全。”
據瞭解，製造碳纖維高昂的一個關鍵原因是其由一種昂貴的聚合物聚丙烯腈(PAN)製成。這種材料的生產成本佔總成本的50%左右，並且在生產過程中需要大量的能量，這主要是由於將聚合物轉變成長而堅固的碳基原子鏈所需的極端溫度條件。
首先需要將PAN纖維加熱到200- 300°C進行氧化，然後將汞加熱到1200 - 1600°C使原子轉化為碳。之後，將它們進一步加熱到2100°C從而將材料中的分子排列起來並由此形成以堅硬和堅固著稱的碳纖維。
對此，研究團隊開始探索如何將其他材料加入到混合物中以減少對PAM的依賴並提高生產過程的效率以及可能生產出效能更好的材料。透過實驗，研究小組發現在第一階段加入少量的石墨烯--重量濃度僅為0.075%--可以帶來一些令人印象深刻的結果。
據瞭解，這種新增劑使得碳纖維的強度比標準碳纖維高出225%、剛度比標準碳纖維高出184%。根據該團隊的分析，這是因為扁平的石墨烯結構使PAN中的分子具有更大的一致性，同時PAN也會在石墨烯邊緣凝結。
雖然這項技術已經在一定程度上降低了生產成本，但該團隊目前正在探索如何將其他更便宜的前體材料引入混合生產中。最終，他們希望這可能意味著一些生產步驟被完全取消。
相關研究報告已發表在《Science Advances》上。
碳纖維具有超強的強度和硬度，而且重量相對較輕，是工程師們喜歡用在各種物件上的材料，而不僅僅侷限於頂級腳踏車、汽車和飛機。不過這種材料卻有著一個非常明顯的劣勢，那就是成本高昂從而限制了它的使用，不過現在，一組科學家發現，透過向生產混合物中新增少量的石墨烯可能會成為不僅讓碳纖維變得更能負擔得起同時還能變得更堅固、更硬。
目前，碳纖維每磅成本約為15美元，而這項新突破背後的研究人員希望有朝一日能將這一價格降至5美元。由來自賓夕法亞州立大學、弗吉尼亞大學和橡樹嶺國家實驗室的科學家組成的研究小組希望透過調整昂貴的生產過程來逐步實現這一目標，進而最終能達到讓碳纖維成為大規模汽車製造商的可行選擇的目標。
賓夕法尼亞州立大學機械和化學工程教授Adri van Duin指出：“儘管碳纖維有很好的特性，但按照現在製造碳纖維的方式，它們會讓汽車變得更加昂貴。如果你能讓這些特性更容易被製造出來，那麼你就能讓汽車明顯變輕、成本得到明顯降低，同時還能讓它們變得更安全。”
據瞭解，製造碳纖維高昂的一個關鍵原因是其由一種昂貴的聚合物聚丙烯腈(PAN)製成。這種材料的生產成本佔總成本的50%左右，並且在生產過程中需要大量的能量，這主要是由於將聚合物轉變成長而堅固的碳基原子鏈所需的極端溫度條件。
首先需要將PAN纖維加熱到200- 300°C進行氧化，然後將汞加熱到1200 - 1600°C使原子轉化為碳。之後，將它們進一步加熱到2100°C從而將材料中的分子排列起來並由此形成以堅硬和堅固著稱的碳纖維。
對此，研究團隊開始探索如何將其他材料加入到混合物中以減少對PAM的依賴並提高生產過程的效率以及可能生產出效能更好的材料。透過實驗，研究小組發現在第一階段加入少量的石墨烯--重量濃度僅為0.075%--可以帶來一些令人印象深刻的結果。
據瞭解，這種新增劑使得碳纖維的強度比標準碳纖維高出225%、剛度比標準碳纖維高出184%。根據該團隊的分析，這是因為扁平的石墨烯結構使PAN中的分子具有更大的一致性，同時PAN也會在石墨烯邊緣凝結。
雖然這項技術已經在一定程度上降低了生產成本，但該團隊目前正在探索如何將其他更便宜的前體材料引入混合生產中。最終，他們希望這可能意味著一些生產步驟被完全取消。
相關研究報告已發表在《Science Advances》上。