通过实验室实验和计算机模拟，来自宾夕法尼亚州立大学的研究人员发现，在碳纤维生产过程中添加石墨烯可以大大增强这种材料的强度，可能有一天会为更高强度、更经济的汽车材料铺平道路。
近日，来自宾夕法尼亚州立大学的一支研究团队发明了一种制造碳纤维的新方法，研究人员通过计算机模拟和实验室实验相结合，发现在生产过程中加入少量的二维石墨烯，既降低了生产成本，又增强了纤维的强度。该方法有望通过使用这些轻质高强的材料来提高安全性并降低汽车生产成本。
几十年来，碳纤维材料一直是飞机工业的支柱。宾夕法尼亚州立大学机械与化学工程教授阿德里范杜因（Adri van Duin）说：“尽管碳纤维具有非常好的特性，但按照现在制造碳纤维的方式，它们会使汽车价格变得非常昂贵。如果你能使这些性能更容易制造，那么你就可以使汽车更轻，更安全，并能降低成本。”
碳纤维目前的售价约为每磅15美元，该团队包括来自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，并与行业合作伙伴Solvay和Oshkosh合作，希望通过改变复杂的生产工艺，将价格降到每磅5美元。较低的生产成本将增加碳纤维的潜在应用。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，其中一些碳纤维目前售价高达每磅900美元。
宾夕法尼亚州立大学机械工程系研究员Małgorzata Kowalik说：“目前大多数碳纤维是由聚丙烯腈（PAN）聚合物制成的，而且成本相当高。聚丙烯腈的价格约占碳纤维生产成本的50%。”目前市场上90%的碳纤维都是用PAN制造的，但PAN的生产需要大量的能源。首先，PAN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。如果没有这一系列的步骤，产生的材料将缺乏其所需的强度和刚度。
该研究小组在最近一期的《科学进展》杂志上报告说，在该过程的第一阶段通过添加微量石墨烯（按重量计，浓度仅为0.075%）可以使研究小组制造出比传统聚丙烯腈基碳纤维强度和刚度分别高225%和184%的碳纤维。
研究小组通过在数台超级计算机上进行的一系列计算机模拟，对发生的化学反应进行了深入了解，这些超级计算机包括计算和数据科学研究所（ICD）高级网络基础设施；由ICD维护的国家科学基金会（NSF）资助的CyberLAMP；国家科学基金会资助了极端科学与工程发现环境（XSEDE），一个由超级计算机和相关资源组成的多研究所网络。
他们还利用宾夕法尼亚州材料研究所（MRI）的实验室研究了每种材料的特性。“我们将不同规模的实验联系起来，不仅证明了这一过程的有效性，而且还为我们提供了一个原子尺度的理由来解释这些添加剂的作用，”同时也是核磁共振材料计算中心主任和ICDS助理的范杜因说。“这些知识使我们能够进一步优化工艺流程。”
石墨烯的扁平结构有助于使PAN分子在整个纤维中保持一致的排列，这在生产过程中是必需的。此外，在高温下，石墨烯的边缘具有天然的催化性能，因此“聚丙烯腈的其余部分在这些边缘凝结，”范杜恩说。根据这项研究获得的新知识，研究小组正在探索如何在这一生产过程中进一步使用石墨烯，使用更便宜的前驱体，目的是完全切断一个或多个生产步骤，从而进一步降低成本。
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