Легкие материалы из углеродного волокна, аналогичные материалам, используемым для некоторых теннисных ракеток и велосипедов, сочетают в себе исключительную прочность с малым весом, но их производство обходится дороже, чем аналогичные конструктивные элементы из стали или алюминия. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и других стран придумали способ изготовления этих легких волокон из сверхлегкого сырья: тяжелых, шероховатых отходов, оставшихся после переработки нефти, материалов, которые сегодня нефтеперерабатывающие заводы поставляют для малоценных применений, таких как асфальт, или в конечном итоге перерабатывают как отходы.

Новое углеродное волокно не только дешево в изготовлении, но и обладает преимуществами по сравнению с традиционными материалами из углеродного волокна, поскольку оно может обладать прочностью на сжатие, что означает, что его можно использовать для несущих конструкций. Новый процесс описан в журнале Научные достижения, в статье аспирантки Асмиты Яны, научного сотрудника Николы Ферралис, профессора Джеффри Гроссмана и пяти других сотрудников Массачусетского технологического института, Западного исследовательского института в Вайоминге и Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси.

Исследование началось около четырех лет назад в ответ на запрос Министерства энергетики, которое искало способы сделать автомобили более эффективными и снизить расход топлива за счет снижения их общего веса. "Если вы посмотрите на ту же модель автомобиля сейчас, по сравнению с 30 годами назад, он значительно тяжелее", - говорит Ферралис. "Вес автомобилей увеличился более чем на 15 процентов в пределах той же категории".

Более тяжелый автомобиль требует большего двигателя, более сильных тормозов и так далее, поэтому уменьшение веса кузова или других компонентов имеет волновой эффект, который приводит к дополнительной экономии веса. Министерство энергетики настаивает на разработке легких конструкционных материалов, которые соответствуют безопасности современных обычных стальных панелей, но также могут быть изготовлены достаточно дешево, чтобы потенциально полностью заменить сталь в стандартных автомобилях.

Композиты, изготовленные из углеродных волокон, не являются новой идеей, но до сих пор в автомобильном мире они использовались лишь в нескольких очень дорогих моделях. Новое исследование направлено на то, чтобы изменить ситуацию, предоставив недорогой исходный материал и относительно простые методы обработки.

По словам Ферралиса, углеродные волокна такого качества, которое необходимо для использования в автомобилестроении, в настоящее время стоят по меньшей мере от 10 до 12 долларов за фунт, и "могут быть намного дороже", вплоть до сотен долларов за фунт для специализированных применений, таких как компоненты космических аппаратов. Это сопоставимо примерно с 75 центами за фунт стали или 2 долларами за алюминий, хотя эти цены сильно колеблются, и материалы часто зависят от иностранных источников. По его словам, при таких ценах изготовление пикапа из углеродного волокна вместо стали обошлось бы примерно в два раза дороже.

Эти волокна обычно изготавливаются из полимеров (таких как полиакрилонитрил), полученных из нефти, но с использованием дорогостоящей промежуточной стадии полимеризации углеродных соединений. По словам Ферралиса, стоимость полимера может составлять более 60 процентов от общей стоимости конечного волокна. Вместо того, чтобы изначально использовать очищенный и переработанный нефтепродукт, новый подход команды использует то, что по сути является отбросами, оставшимися после процесса переработки, - материал, известный как нефтяной пек. "Это то, что мы иногда называем дном бочки", - говорит Ферралис.

"Подача невероятно грязная", - говорит он. Это мешанина смешанных тяжелых углеводородов, и "на самом деле это то, что делает его в некотором смысле красивым, потому что в нем так много химии, которую можно использовать. Это делает его увлекательным материалом для начала".

Это бесполезно для сжигания - хотя оно может гореть, это слишком грязное топливо, чтобы быть практичным, и это особенно верно в условиях ужесточения экологических норм. "Его так много, - говорит он, - что неотъемлемая ценность этих продуктов очень низка, поэтому их часто выбрасывают на свалку". Альтернативным источником пека, который команда также протестировала, является каменноугольный пек, аналогичный материал, который является побочным продуктом коксующегося угля, используемого, например, для производства стали. Этот процесс дает около 80 процентов кокса и 20 процентов каменноугольного пека, "что в основном является отходами", - говорит он.

Работая в сотрудничестве с исследователями из Национальной лаборатории Ок-Риджа, которые имели опыт в производстве углеродных волокон в различных условиях, от лабораторных до экспериментальных, команда приступила к поиску способов прогнозирования производительности, чтобы направлять выбор условий для этих экспериментов по изготовлению.

"Процесс, который вам нужен, чтобы на самом деле изготовить углеродное волокно [из смолы], на самом деле чрезвычайно минимален, как с точки зрения энергопотребления, так и с точки зрения фактической обработки, которую вам нужно выполнить", - говорит Ферралис.

Яна объясняет, что смола "состоит из такого разнородного набора молекул, что можно ожидать, что при изменении формы или размера свойства резко изменятся", в то время как промышленный материал должен обладать очень постоянными свойствами.

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

Работа привела к результатам, показывающим, что, регулируя начальные условия, можно получить углеродные волокна, которые были бы не только прочными при растяжении, как большинство таких волокон, но и прочными при сжатии, что означает, что они потенциально могут быть использованы в приложениях, несущих нагрузку. По их словам, это открывает совершенно новые возможности для полезности этих материалов.

ДОУ призывал проекты снизить стоимость легких материалов ниже 5 долларов за фунт, но команда Массачусетского технологического института считает, что их метод может быть лучше, достигнув примерно 3 долларов за фунт, хотя они еще не провели детальный экономический анализ.

"Новый маршрут, который мы разрабатываем, - это не просто экономический эффект", - говорит Ферралис. "Это может открыть новые приложения, и это не обязательно должны быть транспортные средства". Часть сложности изготовления обычных волокнистых композитов заключается в том, что волокна должны быть превращены в ткань и выложены точными, детализированными узорами. Причина этого, по его словам, "заключается в том, чтобы компенсировать недостаток прочности на сжатие". По его словам, преодолеть недостатки материала - дело техники, но с новым процессом все эти дополнительные сложности не понадобятся.

В исследовательскую группу входили Тайшань Чжу и Янмин Ван из Массачусетского технологического института, Джерами Адамс из Университета Западного резерва, а также Логан Кирни и Амит Наскар из Национальной лаборатории Ок-Риджа. Работа была поддержана Министерством энергетики США.