麻省理工研究人員使用石油瀝青制造車身材料

由碳纖維制成的輕質材料，類似于用于一些網球拍和自行車的材料，結合了卓越的強度和低重量，但這些材料的生產成本比由鋼或鋁制成的類似結構件要高。現在，麻省理工學院和其他地方的研究人員想出了一種用超廉價原料制造這些輕質纖維的方法：煉油過程中留下的沉重、粘稠的廢料，這些材料今天被煉油廠提供給低價值的應用，如瀝青，或最終作為廢料處理。

新的碳纖維不僅制造成本低，而且它比傳統的碳纖維材料有優勢，因為它可以有壓縮強度，這意味著它可以用于承重應用。2022m年3月18日，《科學進展》雜志在研究生阿斯米塔-賈納、研究科學家尼古拉-費拉利斯、教授杰弗里-格羅斯曼以及麻省理工學院、懷俄明州西部研究所和田納西州橡樹嶺國家實驗室的其他五人的一篇論文中描述了這一新工藝。

這項研究大約在四年前開始，以響應能源部的要求，該部正在尋求通過降低汽車的整體重量使其更加高效和減少燃料消耗的方法。更重的汽車需要更大的發動機，更強的剎車，等等，所以減少車身或其他部件的重量會產生連鎖反應，產生額外的減重。美國能源部正在推動輕質結構材料的發展，這些材料不僅可以與今天的傳統鋼板的安全性相媲美，而且其制造成本也足夠低，有可能在標準車輛中完全取代鋼材。

由碳纖維制成的復合材料并不是一個新的想法，但迄今為止，在汽車領域，它們只被用于少數非常昂貴的車型。這項新的研究旨在通過提供低成本的起始材料和相對簡單的加工方法來扭轉這一局面。目前汽車用碳纖維的質量至少為每磅10至12美元，而且"可能會更高"，對于像航天器部件這樣的特殊應用，每磅可達數百美元。相比之下，鋼的價格約為每磅75美分，鋁的價格為2美元，盡管這些價格波動很大，而且這些材料往往依賴外國來源。他說，按照這些價格，用碳纖維而不是鋼制造一輛皮卡的成本大約會增加一倍。

這些纖維通常由來自石油的聚合物（如聚丙烯腈）制成，但要使用昂貴的中間步驟來聚合碳化合物。聚合物的成本可能占到最終纖維總成本的60%以上。現在該團隊的新方法不是從使用精煉和加工的石油產品開始，而是使用基本上是精煉過程后剩下的渣滓，一種被稱為石油瀝青的材料，它是一個混合重碳氫化合物的大雜燴。

研究人員通過仔細模擬組成分子之間的鍵的形成和交聯方式，研究人員能夠開發出一種方法來預測一組給定的加工條件將如何影響所產生的纖維特性，以至于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。這項工作產生的結果顯示，通過調整起始條件，可以制造出不僅在張力下很強的碳纖維，而且在壓縮時也很強，這意味著它們有可能被用于承重應用。

能源部呼吁項目將輕質材料的成本降至每磅5美元以下，但麻省理工學院團隊估計他們的方法可以做得更好，達到每磅3美元左右。