我们能用石油残渣制造汽车吗?

诸平

Fig. 1 Carbon-Fiber-Illustration

Fig. 2 A circle of carbon fibers which have a diameter of about 10 micrometers. Credit: Nicola Ferralis

Fig. 3 A human hair and carbon fiber, with a clear ruler on the bottom half of the image. The human hair, pictured in a vertical orientation, is thicker (about 60 micrometers) than the carbon fiber behind it. Credit: Nicola Ferralis

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年4月1日提供的消息，MIT的研究人员与美国橡树林国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, TN, USA.）和美国怀俄明州拉勒米市的西部研究院（Western Research Institute, Laramie, WY, USA）的研究人员合作，研究出一种制造碳纤维的新方法，可以将炼油厂的副产品转化为用于汽车、飞机和航天器的高价值、超轻结构材料（A New Way To Make Carbon Fiber: Could We Make Cars Out of Petroleum Residue?）。

为了控制温室气体排放，提高电动汽车的续航里程，全世界都在努力提高汽车和其他车辆的能效。与此同时，人们正在寻找一种更轻、强度更强、可用于汽车车身的材料。

由碳纤维制成的轻质材料，类似于某些网球拍和自行车所用的材料，结合了超高的强度和低重量，但这些材料的生产成本比由钢或铝制成的类似结构元件要高。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经想出了一种方法，从一种超廉价的原料中提炼出轻质纤维。这种原料是石油炼制过程中产生的重而粘稠的废料，如今炼油厂为沥青等低价值应用提供这种材料，或者最终将其作为废物处理。

新型碳纤维不仅成本低廉，而且比传统碳纤维材料更有优势，因为它具有抗压强度，这意味着它可以用于承重应用。这一新过程于2022年3月18日在《科学进展》(Science Advances)杂志网站发表——Asmita Jana，Taishan Zhu, Yanming Wang, Jeramie J. Adams, Logan T. Kearney, Amit K. Naskar, Jeffrey C. Grossman, Nicola Ferralis. Atoms to fibers: Identifying novel processing methods in the synthesis of pitch-based carbon fibers. Science Advances，2022, 8(11). DOI: 10.1126/sciadv.abn1905.Published 18 Mar 2022. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1905

此研究成果是由研究生阿斯米塔·亚娜(Asmita Jana)、研究科学家尼古拉·费拉利斯(Nicola Ferralis)、杰弗里·格罗斯曼(Jeffrey Grossman)教授以及麻省理工学院(MIT)、怀俄明州西部研究院和田纳西州橡树岭国家实验室的其他五人共同撰写。图2是一圈直径约为10微米的碳纤维。

这项研究大约始于4年前，应美国能源部(Department of Energy)的要求开始进行。能源部当时正在寻求通过降低汽车总重量来提高汽车的能效和减少燃料消耗的方法。尼古拉·费拉利斯说:“如果你看看现在的同一款车，与30年前相比，它明显更重。同类型汽车的重量增加了15%以上。”

一辆更重的汽车需要更大的发动机，更强的刹车，等等，所以减轻车身或其他部件的重量会产生连锁反应，产生额外的重量节省。美国能源部正在推动轻型结构材料的发展，这种材料的安全性可以与今天的传统钢板相媲美，但其制造成本也足够低，有可能在标准车辆中完全取代钢铁。

由碳纤维制成的复合材料并不是一个新想法，但到目前为止，在汽车行业，它们只被用于几款非常昂贵的车型。这项新研究旨在通过提供一种低成本的原材料和相对简单的加工方法来扭转这种局面。

上述图3是一个人的头发和碳纤维，在图像的下半部分有一个清晰的尺子。人的头发，在垂直方向上，比它后面的碳纤维更厚(约60微米)。

尼古拉·费拉利斯表示，用于汽车使用的优质碳纤维目前的价格至少为每磅10~12美元（22.05~26.46美元/kg），“可能会更高”，如用于航天器组件等特殊用途的碳纤维，每磅价格可达数百美元。相比之下，钢铁的价格约为每磅75美分（1.65美元/kg），铝的价格为每磅2美元（4.41美元/kg），尽管这些价格波动很大，而且这些材料往往依赖于外国来源。他说，按照这个价格，用碳纤维而不是钢铁制造一辆皮卡（pickup truck）的成本大约会增加一倍。

这些纤维通常由从石油中提取的聚合物(如聚丙烯腈)制成，但使用了一个昂贵的中间步骤，即将碳化合物聚合。尼古拉·费拉利斯说，这种聚合物的成本可以占最终纤维总成本的60%以上。该团队的新方法不是使用提炼和加工过的石油产品开始，而是使用提炼过程后剩下的渣油，一种被称为石油沥青的材料。“这就是我们有时所说的桶底物，”尼古拉·费拉利斯说。

他说道:“渣油非常混乱”。它是一个混合重碳氢化合物的大杂烩，“在某种程度上，这实际上是它的优势所在，因为有如此多的化学物质可以被开发。这让它成为了一种令人着迷的材料。”

它对燃烧没用，虽然它可以燃烧，但它是一种太脏的燃料，这是实际的，特别是在严格的环境法规条件下。“其中垃圾太多了，”他说，“这些产品的固有价值很低，所以经常会被填埋。”研究小组还测试了一种沥青的替代来源——煤沥青（coal pitch），这是一种类似的材料，是炼焦煤（焦炭）的副产品，焦炭用于钢铁生产。炼焦过程产生大约80%的焦炭和20%的煤沥青，“这基本上是一种浪费，”尼古拉·费拉利斯说。

与橡树岭国家实验室的研究人员合作,有专业生产碳纤维在各种情况下,从实验室规模到中试装置规模,团队开始着手寻找方法来预测性能,以指导那些制造实验条件的选择。

尼古拉·费拉利斯说:“从能源需求和实际加工的角度来看，你需要用沥青制造碳纤维的过程实际上是极其简单的。”

上述论文的第一作者阿斯米塔·亚娜解释说，沥青是“由这些非均质分子组成的，如果你改变形状或大小，你就会预期其性质会发生戏剧性的变化”，而工业材料需要具有非常一致的性质。

通过仔细地建模组成分子之间的键形成和交联方式，阿斯米塔·亚娜能够开发出一种方法来预测给定的一组加工条件将如何影响最终的纤维性能。“我们能够以惊人的准确性重现结果，”她说，“以至于公司可以利用这些图表预测”纤维的密度和弹性模量等特征。

研究结果表明，通过调整启动条件，碳纤维不仅可以像大多数此类纤维一样具有很强的拉力，而且在承压方面也很强，这意味着它们可能用于承载应用。他们说，这为这些材料的用途打开了全新的可能性。

美国能源部呼吁将轻质材料的成本降低到每磅5美元（11.02美元/kg）以下，但麻省理工学院的研究小组估计，他们的方法可以做得更好，达到每磅3美元(6.61美元/kg)左右，尽管他们还没有做详细的经济分析。

尼古拉·费拉利斯说：“我们正在开发的新路线不仅仅是成本效应，它可能会带来新的应用，而且不一定是汽车。”制造传统纤维复合材料的复杂性之一是，纤维必须制成布料，并以精确、详细的图案铺展。他说，这样做的原因是“为了弥补抗压强度的不足。”这是一个克服材料缺陷的工程问题，但有了新工艺，所有额外的复杂性统统不再需要。

这项工作得到了美国能源部（U.S. Department of Energy：DE-EE0008203；DE-AC02-05CH11231；DE-AC05-00OR22725）和美国自然科学基金（National Science Foundation: ACI-1548562）的支持。

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Abstract

Understanding and optimizing the key mechanisms used in the synthesis of pitch-based carbon fibers (CFs) are challenging, because unlike polyacrylonitrile-based CFs, the feedstock for pitch-based CFs is chemically heterogeneous, resulting in complex fabrication leading to inconsistency in the final properties. In this work, we use molecular dynamics simulations to explore the processing and chemical phase space through a framework of CF models to identify their effects on elastic performance. The results are in excellent agreement with experiments. We find that density, followed by alignment, and functionality of the molecular constituents dictate the CF mechanical properties more strongly than their size and shape. Last, we propose a previously unexplored fabrication route for high-modulus CFs. Unlike graphitization, this results in increased sp3 fraction, achieved via generating high-density CFs. In addition, the high sp3 fraction leads to the fabrication of CFs with isometric compressive and tensile moduli, enabling their potential applications for compressive loading.