隨著正努力提高汽車和其他車輛的效率，以遏制溫室氣體排放，提高電動汽車的使用范圍，人們正在尋找更輕、強度足以用于車身的材料。

 

由碳纖維制成的輕質材料，類似于用于某些網球拍和自行車的材料，兼具出色的強度和重量輕的特點，但與由鋼或鋁制成的類似結構元件相比，這些材料的生產成本更高。如今，麻省理工學院和其他機構的研究人員提出了一種新方法，可以用一種超低成本原料來制造這些輕質纖維——即石油精煉過程中留下的沉重、粘稠的廢料。目前，煉油廠將這些材料用于瀝青等低價值應用，甚至當作廢棄物處理。

 

這些纖維通常由從石油中提取的聚合物（如聚丙烯腈）制成，但使用昂貴的中間步驟聚合碳化合物。相關人員說，這種聚合物的成本占終纖維總成本的60%以上。該團隊的新方法不是從精煉和加工的石油產品開始，而是使用精煉過程后基本上留下的殘渣，一種被稱為石油瀝青的材料。“這就是我們有時所說的桶底，”相關人員說。

 

“石油瀝青十分雜亂，”他說。這是一個混合重碳氫化合物的大雜燴，“但這就是它的有趣之處，因為有太多的化學物質可以利用。這讓它成為一種極具吸引力的材料。”而且這些材料不能燃燒。盡管它可以起燃，但是因為太臟而無實際作用，尤其是現在環境法規如此嚴格的情況下。“而且數量有這么多，”他說，“這些產品的內在價值很低，所以經常被填埋。”該團隊還測試了瀝青的另一種來源——煤瀝青，這是一種類似的材料，是煉焦煤（如用于鋼鐵生產）的副產品。這一過程產生約80%的焦炭和20%的煤瀝青，“這基本上是一種浪費，”他說。

 

該團隊與橡樹嶺實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人員合作，他們擁有在各種條件下制造碳纖維的專業知識，無論從實驗室規模還是到中試工廠規模。他們也正著手尋找預測性能的方法，以指導這些制造實驗的條件選擇。

 

相關人員說：“實際上，從能量需求和實際加工兩方面來看，利用瀝青制造碳纖維的過程實際上是極其簡單的。”。

 

MIT研究生解釋，瀝青“由不同種類的分子組成，如果改變形狀或大小，可以預料到其性質會發生巨大變化”，而工業材料需要具有非常一致的特性。

 

通過仔細模擬組成分子之間的鍵形成和交聯方式，相關人員能夠開發出一種預測給定加工條件將如何影響終纖維性能的方法。她說：“我們能夠以驚人的準確度重現結果，公司可以利用這些圖表，并能夠預測”纖維的密度和彈性模量等特性。

 

研究結果表明，通過調整起始條件，碳纖維不僅可以像大多數纖維一樣具有很強的張力，而且還具有很強的壓縮能力，這意味著它們有望用于載荷應用。這為這些材料的用途開辟了全新的可能性。

 

美國能源部（DOE）呼吁將輕質材料的成本降低到每磅 5 美元以下，但麻省理工學院的團隊估計他們的方法可以做得更好，達到每磅 3 美元左右，盡管他們尚未進行詳細的經濟研究分析。

 

“我們正在開發的新路線不僅僅是成本效應，”相關人員 說。“它可能會開辟新的應用，而且不一定是車輛。”制造傳統纖維復合材料的部分復雜性在于，必須將纖維制成布料并以精確、詳細的圖案布置。他說，這樣做的原因“是為了彌補抗壓強度的不足。”他說，克服材料的缺陷是一個工程問題，但有了新工藝，就不需要額外的復雜性了。