Несмотря на свою прочность и легкость углеволокно остается слишком дорогим в производстве материалом, чтобы его использовать в массовом автопроме. Новый метод, предложенный американскими учеными, позволяет снизить расходы в 3 раза и усилить волокна графеном.
Десятилетиями углеродное волокно применялось в авиастроении. Длинные нити атомов углерода толщиной менее человеческого волоса, легкие и прочные, оказались идеальным материалом для изготовления самолетов. Сегодня оно продается примерно по $33 за килограмм — слишком дорого для производства бюджетных автомобилей, пишет Phys.org.
Между тем, применение углеволокна в массовом автомобилестроении может существенно снизить вес машин, их стоимость и увеличить безопасность.
Исследовательская команда, состоящая из ученых Университета Пенсильвании, Ок-Риджской национальной лаборатории США, бельгийской компании Solvay и американской Oshkosh хочет сократить стоимость углеродного волокна в три раза, до $11 за килограмм, внеся изменения в производственный процесс. Это позволит найти материалу новое применение, в том числе, в автомобилестроении. Кроме того, исследования команды могут снизить стоимость производства других видов углеродных волокон, некоторые из которых продаются сегодня по цене до $2 тыс. за килограмм.
90% углеволокна производится из полиакрилонитрила, но процесс требует огромного количества энергии. Сначала нити следует нагреть до 200-300 градусов Цельсия, затем еще раз, но уже до 1200–1600 градусов, чтобы преобразовать в углерод. И, наконец, до 2100 С, чтобы молекулы приняли надлежащее положение. Без этого у материала не будет нужной прочности и жесткости.
Добавив незначительное количество графена — всего 0,075% массы — на первом этапе процесса производства, ученые смогли создать углеволокно, прочность которого на 225%, а жесткость на 184% выше, чем у созданного обычным способом волокна из полиакрилонитрила. Эти результаты позволяют надеяться на то, что, используя добавки, можно будет убрать из процесса производства углеволокна как минимум один этап нагрева, а второй нагрев сделать существенно менее энергоемким. Материал в итоге будет с теми же характеристиками, что и при текущей технологии производства.
Для того чтобы убедиться в работоспособности нового метода и разобраться в причинах такого воздействия графена, ученые провели моделирование и ряд экспериментов. Оно подтвердило начальные расчеты и объяснило, почему полиакрилонитрил с крайне малой добавкой графена так себя ведет.
Journal information