افزودن گرافن به فیبر کربن باعث افزایش استحکام و کاهش هزینه می‌شود

محققان در مطالعه‌ای جدید دریافتند که افزودن گرافن به فیبر کربن باعث مستحکم‌تر و سخت‌تر شدن آن می‌شود؛ درحالی‌که قیمت نهایی تجهیزات ساخته شده از فیبرکربن را کاهش می‌دهد.

کد خبر: ۶۷۱۱۶

تاریخ: ۰۱ خرداد ۱۳۹۹ - ۱۰:۳۰

اقتصاد۲۴ -فیبر کربن یکی از موادی است که به دلیل استحکام و سختی فوق‌العاده با وزن نسبتا کم، برای ساخت دوچرخه، خودرو و هواپیما‌های پیشرفته استفاده می‌شود.بیشتر بخوانید:شکایت از تسلا به دلیل محیط کار نژادپرستانه

هزینه‌ی بالای تولید، محدودیت اصلی پذیرش گسترده‌ی فیبر کربن در صنعت است؛ با این حال تیمی از دانشمندان دریافتند که اضافه کردن مقدار کمی گرافن به مخلوط تولید، می‌تواند کلید اصلی برای مقرون‌به‌صرفه‌تر کردن فیبر کربن باشد. دانشمندان می‌گویند که افزودن گرافن احتمالاً حتی باعث قوی‌تر و هم‌زمان سخت‌تر شدن فیبر کربن نیز می‌شود.

بنظر می‌رسد هزینه‌ی تولید فیبر کربن حدود ۱۵ دلار برای هر پوند (۰/۴۵ کیلوگرم) است و محققان با اعلام موفقیت جدید، امیدوار هستند که روزی این رقم را به ۵ دلار کاهش دهند. این تیم تحقیقاتی متشکل از دانشمندان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، دانشگاه ویرجینیا و آزمایشگاه ملی اوک ریج، قصد دارند با اعمال تغییراتی در روند گران‌قیمت تولید فیبر کربن، به این هدف دست پیدا کنند. هدف نهایی این تیم، تبدیل فیبر کربن به گزینه‌ای مناسب برای تولید انبوه خودرو است.

آدری ون دوین، استاد مهندسی شیمی و مکانیک در دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا در این زمینه گفت:

اگرچه الیاف کربن از ویژگی‌های بسیار خوبی برخوردار هستند، قیمت خودرو‌هایی را که هم‌اکنون با آن‌ها ساخته می‌شوند، به میزان زیادی افزایش می‌دهند. اگر شما بتوانید دستیابی به این ویژگی‌ها و ساخت الیاف فیبر کربنی را آسان‌تر کنید، می‌توانید خودرو‌هایی بسازید که به میزان قابل توجهی سبک‌تر هستند و هزینه‌ی آن‌ها را کاهش داده و در نهایت آن‌ها را ایمن‌تر کنید.

یکی از دلایل اصلی گران‌قیمت بودن فرایند ساخت فیبر کربن این است که از پلیمر گران‌قیمتی به‌نام پلی آکریلونیتریل یا PAN تولید می‌شود. این پلیمر، حدود ۵۰ درصد از هزینه کلی تولید فیبر کربن را به خود اختصاص می‌دهد و به مقادیر زیادی انرژی نیاز دارد. بیشتر این هزینه‌ها به دلیل دمای بسیار بالای مورد نیاز برای تبدیل پلیمر به رشته‌های طولانی و قوی اتم‌های مبتنی بر کربن است.

فرایند یادشده با گرم کردن الیاف PAN در دمای ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد به منظور اکسیداسیون آن‌ها آغاز می‌شود و تا رسیدن به دما‌های بین ۱،۲۰۰ تا ۱،۶۰۰ درجه سانتیگراد ادامه می‌یابد تا تقریبا تمام اتم‌های غیرکربنی باقیمانده تبدیل شوند. سپس حرارت دادن بیشتر تا ۲،۱۰۰ درجه سانتیگراد، به مولکول‌های باقیمانده در این مواد آرایش می‌دهد تا منجر به ساخت الیاف فیبر کربن سخت و محکم شود.

تیم تحقیقاتی در حال بررسی چگونگی ورود سایر مواد به مخلوط برای اطمینان از وابستگی به PAM بودند تا این فرایند را کارآمدتر کرده و احتمالاً موادی با کارایی بالاتر تولید کنند. این تیم ازطریق آزمایش‌ها خود دریافتند که اضافه کردن مقدار کمی گرافن (تن‌ها ۰/۰۷۵ درصد غلظت نسبت به وزن مخلوط) به مرحله‌ی اول این روند نتایج چشم‌گیری به‌همراه داشت.

افزودن گرافن منجر به تولید الیاف فیبر کربنی شد که دارای ۲۲۵ درصد استحکام بیشتر و ۱۸۴ درصد سختی بیشتر نسبت به الیاف فیبر کربن استاندارد بود. طبق تجزیه و تحلیل تیم تحقیقات، چنین نتایجی به این دلیل است که ساختار مسطح گرافن، مولکول‌های موجود در PAN را با استحکام بیشتری آرایش می‌دهد، درحالی‌که PAN نیز در اطراف لبه‌های گرافن متراکم می‌شود.

آدری ون دوین می‌گوید:

ما آزمایش‌هایی را در مقیاس‌های مختلف به هم مرتبط کردیم تا نشان دهیم که این فرایند به خوبی کار می‌کند. آزمایش‌ها دلیل موجهی در مقیاس اتمی به ما داد که چرا این نوع مواد افزودنی به خوبی کار می‌کنند. این دانش به ما امکان می‌دهد فرایند را بیشتر بهینه کنیم.

با وجود افزایش خیره‌کننده‌ی عملکرد، تیم تحقیقاتی از امکاناتی که این روش جدید کارآمد می‌تواند دراختیار قرار دهد، هیجان‌زده هستند. درحالی‌که افزودن گرافن به فیبر کربن تا حدی هزینه‌ی تولید را کاهش می‌دهد، این تیم در حال بررسی سایر مواد اولیه ارزان‌تر برای استفاده در مخلوط است. در نهایت، آن‌ها امیدوار هستند که این دستاورد‌ها به‌معنای حذف کامل برخی از مراحل تولید باشد.