Новый способ производства углеродного волокна: Можно ли делать автомобили из нефтяных остатков?

В то время как мир борется за повышение эффективности автомобилей и других транспортных средств с целью сокращения выбросов парниковых газов и увеличения дальности хода электромобилей, ведутся поиски все более легких материалов, достаточно прочных для использования в кузовах автомобилей.

Легкие материалы из углеродного волокна, аналогичного материалу, из которого изготавливаются теннисные ракетки и велосипеды, сочетают в себе исключительную прочность и малый вес, однако их производство обходится дороже, чем производство аналогичных элементов конструкции из стали или алюминия. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других университетов придумали способ изготовления таких легких волокон из сверхдешевого сырья: тяжелых, клейких отходов, остающихся после переработки нефти, которые сегодня используются на нефтеперерабатывающих заводах для малоценных целей, таких как асфальт, или в конечном итоге превращаются в отходы.

Новое углеродное волокно не только дешево в производстве, но и имеет преимущества перед традиционными углеродными материалами, поскольку обладает прочностью на сжатие, что позволяет использовать его в несущих конструкциях. Новый процесс описан 18 марта 2022 года в журнале Science Advances в работе аспирантки Асмиты Джана, научного сотрудника Николы Ферралис, профессора Джеффри Гроссмана и еще пяти сотрудников Массачусетского технологического института, Западного исследовательского института в Вайоминге и Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси.

Круг из углеродных волокон диаметром около 10 микрометров. Credit: Nicola Ferralis

Исследования начались около четырех лет назад в ответ на запрос Министерства энергетики, которое искало способы сделать автомобили более эффективными и снизить расход топлива за счет уменьшения их общей массы. «Если посмотреть на одну и ту же модель автомобиля сейчас, по сравнению с 30 годами назад, то она значительно тяжелее», — говорит Ферралис. «Масса автомобилей в одной и той же категории увеличилась более чем на 15%».

Более тяжелый автомобиль требует более мощного двигателя, более сильных тормозов и т.д. Поэтому снижение массы кузова или других компонентов дает эффект пульсации, что приводит к дополнительной экономии веса. Министерство энергетики США настаивает на разработке легких конструкционных материалов, которые не только не уступают по надежности традиционным стальным панелям, но и могут быть достаточно дешевыми, чтобы в перспективе полностью заменить сталь в серийных автомобилях.

Композитные материалы из углеродных волокон — идея не новая, но до сих пор в автомобильной промышленности они использовались лишь в нескольких очень дорогих моделях. Новое исследование призвано изменить эту ситуацию, предоставив недорогой исходный материал и относительно простые методы его обработки.

Человеческий волос и углеродное волокно, на нижней половине снимка — четкая линейка. Человеческий волос, изображенный в вертикальном положении, толще (около 60 микрометров), чем углеродное волокно, расположенное за ним. Credit: Nicola Ferralis

По словам Ферралиса, углеродное волокно такого качества, которое необходимо для автомобильной промышленности, в настоящее время стоит не менее 10-12 долл. за фунт, а для специализированных применений, таких как компоненты космических аппаратов, «может стоить гораздо больше», вплоть до сотен долларов за фунт. Для сравнения, стоимость стали составляет около 75 центов за фунт, а алюминия — 2 доллара, хотя эти цены сильно колеблются, а сами материалы часто поставляются из-за рубежа. По его словам, при таких ценах изготовление пикапа из углепластика вместо стали обойдется примерно вдвое дороже.

Эти волокна обычно изготавливаются из полимеров (например, полиакрилонитрила), получаемых из нефти, но при этом используется дорогостоящая промежуточная стадия полимеризации углеродных соединений. По словам Ферралиса, стоимость полимера может составлять более 60% от общей стоимости конечного волокна. Вместо того, чтобы использовать вначале очищенный и переработанный нефтепродукт, в новом подходе команда использует то, что, по сути, является отходами, оставшимися после процесса переработки нефти, — материал, известный как нефтяная смола. Это то, что мы иногда называем «дном бочки», — говорит Ферралис.

«Питч невероятно грязен, — говорит он. Она представляет собой солянку из смешанных тяжелых углеводородов, и «именно это делает ее в некотором смысле прекрасной, поскольку в ней так много химических элементов, которые можно использовать». Это делает его интересным материалом для начала».

Он бесполезен для сжигания; хотя он и может гореть, но это слишком грязное топливо для практического использования, что особенно актуально в условиях ужесточения экологических норм. «Ее так много, — говорит он, — что внутренняя ценность этих продуктов очень низка, поэтому их часто выбрасывают на свалку». Альтернативным источником смолы, который также был протестирован группой, является угольная смола — аналогичный материал, являющийся побочным продуктом коксующегося угля, используемого, например, для производства стали. В этом процессе получается около 80% кокса и 20% угольной смолы, «что, по сути, является отходами», — говорит он.

В сотрудничестве с исследователями из Национальной лаборатории Оук-Ридж, обладающими опытом производства углеродных волокон в различных условиях, начиная с лабораторных и заканчивая пилотными установками, команда занялась поиском способов прогнозирования характеристик, чтобы определить условия для проведения экспериментов по изготовлению.

«Процесс, необходимый для изготовления углеродного волокна [из смолы], на самом деле крайне минимален как с точки зрения энергопотребления, так и с точки зрения фактической обработки, которую необходимо выполнить», — говорит Ферралис.

Яна поясняет, что смола «состоит из такого неоднородного набора молекул, что при изменении их формы или размера можно ожидать резкого изменения свойств», в то время как промышленный материал должен обладать очень стабильными свойствами.

Тщательно смоделировав способы образования и сшивания связей между составляющими молекулами, Яна смогла разработать способ прогнозирования того, как заданный набор условий обработки повлияет на свойства получаемого волокна. «Мы смогли воспроизвести результаты с такой поразительной точностью, — говорит она, — что компании могли взять эти графики и предсказать такие характеристики, как плотность и модуль упругости волокон».

В ходе работы были получены результаты, свидетельствующие о том, что, изменяя исходные условия, можно получать углеродные волокна, которые не только прочны на растяжение, как большинство подобных волокон, но и прочны на сжатие, что означает возможность их использования в несущих конструкциях. Это открывает совершенно новые возможности для использования этих материалов, считают специалисты.

Министерство энергетики призвало к реализации проектов, направленных на снижение стоимости легких материалов до уровня ниже 5 долларов за фунт, однако, по оценкам специалистов Массачусетского технологического института, их метод позволяет добиться и большего — около 3 долларов за фунт, хотя детального экономического анализа они еще не проводили.

«Новый маршрут, который мы разрабатываем, дает не только экономический эффект», — говорит Ферралис. «Он может открыть новые области применения, и это не обязательно должны быть транспортные средства». Сложность изготовления традиционных волокнистых композитов заключается в том, что волокна должны быть изготовлены в виде ткани и уложены по точным, подробным схемам. По его словам, «это необходимо для того, чтобы компенсировать недостаток прочности на сжатие». По его словам, преодоление недостатков материала — дело техники, но при использовании нового процесса все эти дополнительные сложности не понадобятся.

Справка: «От атомов до волокон: Identifying novel processing methods in the synthesis of pitch-based carbon fibers» Asmita Jana, Taishan Zhu, Yanming Wang, Jeramie J. Adams, Logan T. Kearney, Amit K. Naskar, Jeffrey C. Grossman and Nicola Ferralis, 18 March 2022, Science Advances . DOI: 10.1126/sciadv.abn1905

В состав исследовательской группы вошли Тайшань Чжу и Янмин Ван из Массачусетского технологического института, Джерами Адамс из Западного резервного университета, Логан Кирни и Амит Наскар из Национальной лаборатории Оак-Ридж. Работа выполнена при поддержке Министерства энергетики США.