利用原油残渣制造碳纤维——麻省理工学院Nicola Ferralis博士访谈录

碳纤维（CF）是直径为5-10微米的纤维，大多由芳香族碳制成。碳纤维的主要优点是具有高刚度、高抗拉强度、高强度与重量比、高耐化学腐蚀、耐高温和耐受性以及低热膨胀。所有这些特性使碳纤维往往优于金属，具有很强地竞争力，因为在达到同样性能的情况下，碳纤维产品的重量更轻。

值得注意的是，纤维不能单独使用，因为它们看起来就像一缕没有束缚的头发。因此，它们被编织成织物，用环氧树脂浸渍，制成复合材料，固化后形成最终的制品。编织的过程不仅是为了满足制品所需的结构，同时也是为了优化荷载分布。

此外，虽然纤维具有非常高的抗拉强度和弹性模量，但其抗压性能却没有那么好。这在复合材料层面和CF层面都是如此。简单地说，这是因为碳纤维内的碳分子是以石墨片的形式堆积的（类似于石墨），所以它们的高抗拉强度来自于这些片内非常强的碳键。然而，在压缩情况下，薄弱的层间结合限制了CF的强度。这实质上是CF分子结构的各向异性的结果。在复合材料中，通过编织布可以很大程度上提高制品的界面性能。

然而，一种能同时达到高强度和高模量的纤维需要从根本上重新设计分子结构，这就是我们在这项工作中实现的目标之一：一种具有类似弹性拉伸和压缩性能的新型各向异性纤维。

在汽车工业中应用碳纤维的主要限制因素是成本。碳纤维（不管使用的原料是什么）的价格为10-15美元/磅，对于航空应用其价格在此基础上要高出很多。（大多数火箭和几架新一代飞机上碳纤维复合材料部件的使用量达50%以上）。作为参考，目前铝的价格为2美元/磅，钢为0.50美元/磅。理想情况下，碳纤维需要同样便宜：然而，每磅成本并不是唯一的衡量标准。因为与金属相比，碳纤维具有很高的比强度，实现相同的性能需要的碳纤维的重量远低于金属的重量。

如果成本与金属持平，你可以在汽车中需要结构强度的所有地方使用CF，从底盘到结构件（车顶、车门）到外部面板等等。 

原则上，你也可以制作轮辋、座椅框架——任何我们现在使用金属的部件。你也可以替换和重新设计塑料部件，使其既具有结构性又具有功能性。当然，这样做不仅仅是为了营销。CF将永远比金属材料更轻、更强，同时在不需要特定的油漆和处理的情况下，拥有更好的耐腐蚀性能。宝马i3是为数不多的采用CF复合材料车架的量产汽车之一，其车架完全暴露在外，不需要额外涂漆。

最终，CF汽车将更轻（估计减重30-40%），这使得采用更小的发动机，或者更小和更轻的电池组成为可能，最终带来更大的节约。不幸的是，对于如此大规模的应用，碳纤维的成本仍然太高（即使是3美元/磅）。然而，在这个成本范围内，可以预见碳纤维在比我们现在在超级跑车中看到的更重要的部件中会有更广泛的使用，例如在底盘、车顶和承重系统（动力系统、悬挂系统等）的部分，目前主要使用的还是钛和铝。

即使在这种有限的发展中，CF也能提供显著的重量再分配优势。例如，汽车上的轻质部件（车顶）可以降低重心，提供更好的操控性，安全性也更好。

3.你们已经成功地从廉价的石油提炼废料原料中制造出碳纤维。能否请您描述一下您是如何做到这一点的？

这项工作结合了复杂的计算模型和最先进的碳纤维制造设施（包括实验室规模和中试规模），以开发新的从碳氢化合物沥青中制造碳纤维的配方并不断优化。这项工作的首要目标是开发一个可实现的、逼真的原子学模型和相关的CF原型，该原型能展现纤维的各种性能和结构特点。

模型中的关键是对实验数据的重度依赖，这不仅是为了验证模型，也是为了让建模和实验纤维之间有一对一的关系。因此，纤维前体（沥青）中的分子化合物的选择是通过从实验室使用的实际沥青的质谱数据中选择分子大小、功能和分布来实现的。 

同时，当纤维模型进行弹性测试时，获得的密度和弹性模量值直接（即没有参数校正）与在相同条件下制造的实验纤维的测试数据进行评估。考虑到这种实验驱动的方法，模型是分步骤开发的。

首先，沥青前体分子是异质的；因此，我们认为初始分子的形状、大小、官能团和分散性可能影响最终的性能。其次，所使用的制造程序导致的加工参数，如密度、温度、氧气扩散率等，也会影响最终性能。这两个因素导致了我们要研究的参数空间很大。

我们想设计一个能够足够准确地预测纤维的建模框架，供实验者使用，因此我们决定选择我们的参数和设计策略来密切复制实验程序。为了说明初始前体分子的异质性，我们使用了实验合作者给我们的光谱，并设计了我们的初始分子集，使其可以复制光谱。接下来，为了说明制造程序，我们做了以下工作：

①为了说明中相转换和熔融纺丝步骤导致的排列增加，我们为每个系统设计了两个子系统：一个是分子（在盒子里）随机放置，从而建立了各向同性的模型，另一个是分子沿给定方向排列，从而建立了各向异性的模型。

②由于稳定化和碳化的要点都是在相邻的分子之间建立交联，我们通过最初去除初始碳氢化合物中一定比例的氢原子来激活交联的位点来模拟。

③最后，就像实验中的石墨化步骤一样，我们也将碳化步骤后得到的（模拟）纤维在一定时间内置于高温下，随后得到了弹性模量列表。

最重要的是，所提出的几个CF模型被用来在实验室中生产同样性能的纤维，验证了性能目标以及与现有制造设施和方法的兼容性。此外，它带来了一种具有高拉伸和压缩模量的新型高密度碳纤维的开发。这很新颖，因为大多数碳纤维都有很高的拉伸性能，但压缩性能很差，所以未来的使用将带来其在承重部件中的应用。

4.这些新的采用石油废料制造的碳纤维的性能与传统生产的纤维相比如何？

纯粹的从性能角度来看，采用石油废料制造的碳纤维的性能与普通聚合物基碳纤维（使用聚丙烯腈-PAN作为聚合物前体）一样好。然而，采用石油废料制造碳纤维的主要吸引力在于其潜在的成本节约能力。在基于PAN的CF中，主要的成本来自于前驱体本身，而根据我们的估计，过渡到石油废料可以将原料的成本降低2-3倍。

这就是使用 "废物 "原料，而不是高度工程化的聚合物的优势。沥青基碳纤维目前主要部署在高端市场（航空航天），不仅因为其机械性能，而且因为其热性能，因为它们具有非常高的导热性。