Ett nytt sätt att skapa kolfibrer – som vanligtvis är dyra att tillverka – kan en dag leda till att man använder dessa lätta, höghållfasta material för att förbättra säkerheten och minska kostnaderna för att tillverka bilar, enligt ett team av forskare. Med hjälp av en blandning av datorsimuleringar och laboratorieexperiment, teamet fann att tillsats av små mängder av 2D-grafen till produktionsprocessen både minskar produktionskostnaden och stärker fibrerna.

I årtionden, kolfibrer har varit en stöttepelare i flygplansproduktionen. Om den skapas på rätt sätt, dessa långa strängar av kolbaserade atomer, smalare än människohår, är lätta, styv och stark – en perfekt applikation för att hålla passagerare säkra i ett fordon som svävar mil över marken.

"Även om kolfibrer har riktigt fina egenskaper, de skulle göra en bil mycket dyrare" med hur kolfibrer tillverkas nu, sa Adri van Duin, professor i maskin- och kemiteknik, Penn State. "Om du kan få dessa egenskaper lättare att tillverka kan du göra bilar betydligt lättare, sänka kostnaderna för dem och göra dem säkrare."

Kolfiber säljs för cirka $15 per pund idag, och laget, som inkluderar forskare från Penn State, University of Virginia och Oak Ridge National Laboratory, i samarbete med industripartners Solvay och Oshkosh, vill minska det till $5 per pund genom att göra ändringar i den komplexa produktionsprocessen. En lägre produktionskostnad kommer att öka kolfibers potentiella tillämpningar, inklusive i bilar. Ytterligare, teamets forskning kan sänka kostnaderna för att producera andra typer av kolfibrer, varav några säljs för upp till $900 per pund idag.

"För närvarande tillverkas de flesta kolfibrer av en polymer som kallas polyakrylnitril, eller PAN, och det är ganska dyrt, sa Małgorzata Kowalik, forskare vid Penn State Department of Mechanical Engineering. "Priset på PAN utgör cirka 50 % av produktionskostnaden för kolfibrer."

PAN används för att skapa 90 % av kolfibrerna som finns på marknaden idag, men dess produktion kräver en enorm mängd energi. Först, PAN-fibrer måste värmas upp till 200-300 grader Celsius för att oxidera dem. Nästa, de måste värmas till 1, 200-1, 600 grader Celsius för att omvandla atomerna till kol. Till sist, de måste värmas till 2, 100 grader Celsius så att molekylerna är rätt inriktade. Utan denna serie av steg, det resulterande materialet skulle sakna sin nödvändiga styrka och styvhet.

Teamet rapporterade i ett färskt nummer av Vetenskapens framsteg att tillsats av spårmängder av grafen - endast 0,075 % koncentration i vikt - till de första stegen av denna process gjorde det möjligt för teamet att skapa en kolfiber som hade 225 % större styrka och 184 % större styvhet än de konventionellt tillverkade PAN-baserade kolfibrerna.

Teamet fick insikt i de kemiska reaktionerna som äger rum genom en serie små- och storskaliga datorsimuleringar utförda på flera superdatorer, Institutet för beräknings- och datavetenskap (ICDS) Advanced CyberInfrastructure; National Science Foundation (NSF)-finansierade CyberLAMP, som underhålls av ICDS; och den NSF-finansierade Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), ett nätverk av flera institut av superdatorer och relaterade resurser. De studerade också egenskaperna hos varje material med hjälp av laboratorier i Penn State's Materials Research Institute (MRI).

"Vi kopplade ihop experiment i olika skalor för att inte bara visa att den här processen fungerar, men det gav oss ett skäl i atomistisk skala till varför dessa typer av tillsatser fungerar, sa van Duin, även chefen för MRI:s Material Computation Center och en ICDS-assistent. "Denna kunskapen gör att vi kan optimera processen ytterligare."

Den platta strukturen av grafen hjälper till att anpassa PAN-molekyler konsekvent genom hela fibern, som behövs i produktionsprocessen. Ytterligare, vid höga temperaturer har grafenkanter en naturlig katalytisk egenskap så att "resten av PAN kondenserar runt dessa kanter, sa van Duin.

Med den nya kunskapen från denna studie, teamet undersöker sätt att ytterligare använda grafen i denna produktionsprocess med hjälp av billigare prekursorer, med målet att helt och hållet ta bort ett eller flera av produktionsstegen, och därmed sänka kostnaderna ännu mer.