Группа ученых установила, что добавление небольшого количества графена в процессе производства углеродных волокон может сделать их более прочными, жесткими и, возможно, дешевыми в производстве.
Обладая превосходной прочностью и жесткостью при небольшом весе, углеродные волокна — это тот тип материала, который идеально подошел бы для многих вещей, а не только для самолетов и топовых моделей велосипедов и автомобилей. Но высокая стоимость производства оказалась ключевым ограничением в распространении карбона. Теперь у ученых появилась возможность изменить ситуацию. Исследовательская группа из США установила, что добавление небольшого количества графена в производственную смесь может помочь сделать углеродное волокно не только более доступным, но и более прочным.
В настоящее время углеродное волокно стоит около 30 долларов за килограмм. Исследователи из государственного университета Пенсильвании, Университета Вирджинии и Национальной лаборатории Ок-Риджа надеются в один прекрасный день снизить эту цифру до 10 долларов. «Углеродные волокна обладают действительно хорошими характеристиками, однако они значительно удорожают стоимость автомобиля. Если сделать их более простыми в производстве, то можно производить автомобили, которые будут более легкими, прочными, безопасными и дешевыми», — Адри ван Дуин, профессор механического и химического машиностроения.
Одна из ключевых причин, по которой углеродное волокно настолько дорогое в изготовлении, заключается в том, что оно производится из дорогостоящего полимера, называемого полиакрилонитрилом (ПАН). Стоимость ПАН составляет около 50% от общей стоимости производства карбона. Также для превращения полимера в длинные и прочные нити на основе углерода требуются большие затраты энергии. Изначально волокна ПАН нагревают до 200–300 °C, чтобы они окислились, затем необходимо нагревание до 1200–1600 °C, чтобы полимер превратился в углерод. И наконец, до 2100 °C, что приводит к образованию жестких и прочных углеродных волокон.
Исследовательская группа изучала, как добавление в смесь других материалов может повлиять на техпроцесс. В ходе экспериментов было обнаружено, что добавление к первому этапу процесса небольшого количества графена (всего 0,075% веса) дает некоторые впечатляющие результаты. Так углеродное волокно стало на 225% более прочным и на 184% более жестким, чем стандартные углеродные волокна. Согласно анализу команды, это происходит потому, что плоская структура графена выравнивает молекулы в ПАН с большей последовательностью, в то время как ПАН также конденсируется по краям графена.
«Мы свели эксперименты разных масштабов, не только чтобы показать, что этот процесс работает, это также указало нам причину, почему он работает. Эти знания позволяют нам дальше оптимизировать процесс», — говорит ван Дуин. Хотя это открытие уже в некоторой степени снижает себестоимость карбона, команда изучает, как можно было бы использовать в производстве другие, более дешевые материалы-прекурсоры. Ученые надеются, что в конечном итоге некоторые производственные этапы будут полностью удалены из техпроцесса, передает портал New Atlas.