麻省理工 NicolaFerralis博士介紹如何利用石油渣來制備碳纖維復合材料
Nicola Ferralis目前是麻省理工學院材料科學與工程系的研究科學家，也是麻省理工學院能源倡議低能量碳儲能中心的項目經理。他出生于意大利，在帕多瓦大學獲得物理學學士和碩士學位，并在賓州州立大學獲得實驗凝聚態物理學博士學位，在賓州州立大學擔任科學基金會研究生研究和教育研究員。
作為加州大學伯克利分校集成納米機械系統中心的博士后研究員，他開發了新技術來識別復雜碳基納米材料中的功能-性能關系。近期，他成為美國能源部贊助的一個項目的席科學家，該項目旨在利用密度泛函理論構建碳氫化合物前體模型，以訓練機器學習算法，該算法具有合成瀝青基和聚丙烯腈基碳纖維所需前驅體纖維化學機械性能的預測能力。
什么是碳纖維？為什么它們的性能如此優異？
Nicola Ferralis：碳纖維（CF）是直徑為5-10微米的纖維，主要由芳香碳結構組成。CF具有高剛度、高拉伸強度、高強度重量比、高耐化學腐蝕性、耐高溫性以及低熱膨脹性等優點。所有這些特性使CF不僅具有競爭力，而且往往優于金屬，因為這種特性可以在更輕的重量下實現。
但需要注意的是，CF不能單獨使用，因為它們看起來像一束未捆綁的頭發。因此，CF被編織成織物并用環氧樹脂浸漬，制成復合材料，固化后，將形成終零件。編織工藝不僅為所需零件提供所需的結構，還需要優化載荷分布。
此外，雖然纖維具有很高的拉伸強度和彈性模量，但它們的壓縮性能卻不太好。這是因為CF中碳分子以石墨片的形式堆疊，它們的高抗拉強度源自這些片中非常強的碳鍵，但在壓縮條件下，弱的層間結合限制了CF的強度。在復合材料中，通過特定的機織物設計可在很大程度上得到緩解。
但是，一種既能獲得高強度又能實現高模量的纖維需要對分子結構進行根本性的重新設計，這是我們在這項工作中實現的目標之一：一種具有相似彈性拉伸和壓縮性能的新型各向同性纖維。
是什么限制了碳纖維在汽車制造中的使用？
Nicola Ferralis：碳纖維在汽車行業應用的主要限制是成本。無論使用何種原料，CF的價格一般在10-15美元/磅之間，航空航天應用價格要高得多。作為對比，目前鋁的價格為2美元/磅，而鋼的價格為0.50美元/磅。理想情況下，碳纖維也需要同樣便宜：但是每磅的成本并不是唯一的衡量標準。
由于與金屬相比，CF的強度重量比較高，因此可以使用較少的碳纖維來實現與較重金屬零件相同的性能。因此，如果CF成本與金屬持平，則可以在汽車零部件中任何需要結構強度的部位均可采用部署CF，從底盤到結構元件（車頂、車門）和外部面板。
CF比金屬更輕、更堅固，在高耐腐蝕性方面具有額外的優勢，因此不需要特殊的油漆和處理。BMW i3是為數不多的采用CF復合材料車架的量產車之一，其車架完全暴露在外且未上漆。CF的應用使得汽車更輕（估計將減重30-40%），這可能會帶來更小的發動機，或對于電動汽車而言，電池組可以更小、更輕，終帶來更大的能源和成本節省。
您已經成功地從石油精煉廢料形式的廉價原料中制造出碳纖維。能否描述一下是如何做到的嗎？
Nicola Ferralis：這項工作結合了復雜的模型計算和先進的碳纖維制造設備（實驗室規模和中試規模），以開發從瀝青中制造碳纖維的新配方。這項工作的要目標是開發一個現實的原子模型和相關的CF原型，它們代表了纖維的廣泛性能和結構特征。
模型的關鍵在于不僅要驗證模型，而且要考慮到模型和實驗之間的一一對應關系，還需要依賴大量實驗數據。因此，通過從實驗室使用的瀝青質譜數據中選擇分子大小、功能性和分布可以選擇纖維瀝青前驅體的分子化合物。
模型是分步驟開發的，先，瀝青前驅體分子是非均相的；因此，認為初始分子的形狀、大小、官能團和分散性可能會影響終性質；其次，所使用的制造工藝會產生諸如密度、溫度、氧擴散速率等參數，這些參數也會影響終性能。這兩個因素為研究提供了一個大的參數空間。
我們希望設計一個建?？蚣?，能夠足夠準確地預測纖維，為了解釋初始前驅體分子的異質性，我們使用了實驗合作者提供的光譜，并設計了初始分子集，以便它們能夠復制光譜。接下來，為了說明制造過程，做了以下工作：
為了解釋因中間相轉化和熔融紡絲步驟而產生的排列增加，我們為每個系統設計了兩個子系統：一個是隨機放置分子，從而模擬各向同性瀝青，另一個是分子沿給定方向排列，從而模擬中間相瀝青。
由于穩定化和碳化的目的都是在相鄰分子之間建立交聯，因此我們通過去除初始碳氫化合物中一定比例的氫原子來激活交聯位點來模擬。
后，就像實驗石墨化步驟一樣，我們還將碳化步驟后獲得的模擬纖維置于高溫下一段時間，并將隨后的彈性模量制成表格。
至關重要的是，幾個提出的CF模型用于在實驗室生產性能相同的纖維，從而驗證性能目標以及與現有制造設施和方法的兼容性。此外，這還導致開發了一種具有高拉伸和高壓縮的新型高密度碳纖維。這很新穎，因為大多數CF具有高拉伸性能但壓縮性能較差。
與傳統生產的碳纖維相比，這些新型碳纖維的性能如何？
Nicola Ferralis：從純粹性能的角度來看，瀝青基纖維的性能可以與常規聚合物基纖維（使用聚丙烯腈作為聚合物前體）一樣好。然而，瀝青CF的主要優點是潛在的成本節約。在PAN基CF中，主要成本來自前驅體，根據我們的估計，向瀝青的過渡可以將原料成本降低2-3倍。
這就是使用“廢棄”原料而不是高度工程化的聚合物的優勢。瀝青基碳纖維目前主要用于高端市場（航空航天），不僅因為它們的機械性能，而且因為它們具有很高的導熱性。
作為副產品的石油瀝青是不可燃的而且經常被填埋。利用這些廢物生產碳纖維將如何幫助行業更環保？
Nicola Ferralis：目前，瀝青作為焦化或石油精煉副產品的可用性不應成為瀝青的決定性因素。焦炭的生產旨在大限度地提高焦炭產量，但這僅僅是因為它被認為更有價值。人們可能會重新設計瀝青提取過程以大限度地提高瀝青產量，這可以通過使用可再生能源來實現。
從本質上講，瀝青的廣泛可用性不應與它是從生產燃燒產品的過程中產生出來的事實聯系在一起。它應該被視為一種可以直接使用的資源，此外，大規模的可用性和低成本，再加上智能和可持續的采礦實踐，可以在零碳部署中充分利用瀝青基CF。這些好處可能是巨大的，不僅可以替代其他材料，還可以用于更輕、更高效的車輛。
例如，從波音767或空客A330（由金屬合金制成）到波音787或空客A350（CF復合材料占飛機的50%）的過渡，使得后者的效率更高，可使用相似數量的燃料運行更長時間。從金屬合金到低熱膨脹碳復合材料的轉變，使得此類飛機的機艙內模擬氣壓相當于約6000英尺（通常為約8000英尺）的高度，從而帶來更好的旅行舒適性和更高的氧氣水平。此外，這些飛機的窗戶要大得多，因為更堅固的結構彌補了機身上更大的開口。這些進步是CF固有特性的直接結果。
本研究中生產的低成本CF復合材料如何徹底改變汽車行業？
Nicola Ferralis：如上所述，與PAN相比，瀝青的成本大大降低，從而節約了主要成本。正如我們在為美國能源部提供的公開報告中所強調的，通過優化工藝，我們可以促進工業生產的碳纖維的價格低于5美元/磅（事實上低于3美元/磅）。
通過這種優化，可以實現性能和材料性能的一致性，然而，當使用我們在這項工作中確定的高密度各向同性路線作為傳統碳化/石墨化路線的替代方案時，可以在承重應用中獲得進一步的收益（或通過減少所需的總量來優化以實現這一目標）。
此外，使用編織纖維排列將纖維嵌入復合材料中。各向同性（拉伸和壓縮）性能至少在一定程度上允許我們通過纖維的排列和復合材料的設計，將單纖維固有的強拉伸性能轉化為足夠的壓縮性能。這就是說，在壓縮條件下本質上性能良好的纖維可以簡化制造過程。
除了汽車制造，這些碳纖維還能用于哪些其他用途？
Nicola Ferralis：一個潛在的應用是建筑物的結構元件。目前，CF不能用于鋼筋，因為它們沒有足夠的抗壓性能。這可能會隨著各向同性瀝青纖維而改變。當然，在這項關于瀝青處理的工作中獲得的知識也可以用于制造高度工程化的碳材料，如薄膜和納米分離膜。
該材料是否有任何有待克服的局限性？
Nicola Ferralis：在現階段，新生產的CF在性能和可能的工業可行性方面都有很高的前景，但要將合成工藝從實驗室規模發展到成熟的大規模制造，還需要更多的工作。雖然這聽起來可能微不足道，但對于任何從幾克到幾噸的材料來說，可能需要對所需的工業流程進行徹底的重新設計。此外，復合材料不僅僅是纖維，因此需要進行更多的研究，以大限度地增加復合材料中的CF數量，同時減少將它們結合在一起的環氧樹脂數量。
在你看來，這項研究令人興奮的方面是什么？
Nicola Ferralis：作為一名材料科學家，能夠將原子模型直接連接到生產中制造的真實材料是關鍵，因為它可以預測如何優化制造過程。然而，實際上，我激動的是，在這項工作中可以以極具競爭力的成本制造CF。因此，CF將成為主流可能在未來幾年終成為現實。此外，這可能發生在不依賴高度工程化的材料和聚合物，而是依賴石油和煤炭副產品的情況下實現的。
接下來的工作是什么？會繼續開發新的綠色材料，尤其是碳纖維嗎？
Nicola Ferralis：我們的主要目標是進一步開發CF設計工藝，將將其制造成為CF復合材料。例如，如何優化屬性及其可變性，并將其放大為編織復合材料？我們正在研究的另一個方面是優化瀝青的化學性質，以緩解制造過程中耗能的步驟，即高溫碳化。
