碳纖維（CF）是直徑為5-10微米的纖維，大多由芳香族碳制成。碳纖維的主要優(yōu)點是具有高剛度、高抗拉強度、高強度與重量比、高耐化學腐蝕、耐高溫和耐受性以及低熱膨脹。所有這些特性使碳纖維往往優(yōu)于金屬，具有很強地競爭力，因為在達到同樣性能的情況下，碳纖維產(chǎn)品的重量更輕。

值得注意的是，纖維不能單獨使用，因為它們看起來就像一縷沒有束縛的頭發(fā)。因此，它們被編織成織物，用環(huán)氧樹脂浸漬，制成復合材料，固化后形成最終的制品。編織的過程不僅是為了滿足制品所需的結構，同時也是為了優(yōu)化荷載分布。

此外，雖然纖維具有非常高的抗拉強度和彈性模量，但其抗壓性能卻沒有那么好。這在復合材料層面和CF層面都是如此。簡單地說，這是因為碳纖維內(nèi)的碳分子是以石墨片的形式堆積的（類似于石墨），所以它們的高抗拉強度來自于這些片內(nèi)非常強的碳鍵。然而，在壓縮情況下，薄弱的層間結合限制了CF的強度。這實質(zhì)上是CF分子結構的各向異性的結果。在復合材料中，通過編織布可以很大程度上提高制品的界面性能。

然而，一種能同時達到高強度和高模量的纖維需要從根本上重新設計分子結構，這就是我們在這項工作中實現(xiàn)的目標之一：一種具有類似彈性拉伸和壓縮性能的新型各向異性纖維。

在汽車工業(yè)中應用碳纖維的主要限制因素是成本。碳纖維（不管使用的原料是什么）的價格為10-15美元/磅，對于航空應用其價格在此基礎上要高出很多。（大多數(shù)火箭和幾架新一代飛機上碳纖維復合材料部件的使用量達50%以上）。作為參考，目前鋁的價格為2美元/磅，鋼為0.50美元/磅。理想情況下，碳纖維需要同樣便宜：然而，每磅成本并不是唯一的衡量標準。因為與金屬相比，碳纖維具有很高的比強度，實現(xiàn)相同的性能需要的碳纖維的重量遠低于金屬的重量。

如果成本與金屬持平，你可以在汽車中需要結構強度的所有地方使用CF，從底盤到結構件（車頂、車門）到外部面板等等。 

原則上，你也可以制作輪輞、座椅框架——任何我們現(xiàn)在使用金屬的部件。你也可以替換和重新設計塑料部件，使其既具有結構性又具有功能性。當然，這樣做不僅僅是為了營銷。CF將永遠比金屬材料更輕、更強，同時在不需要特定的油漆和處理的情況下，擁有更好的耐腐蝕性能。寶馬i3是為數(shù)不多的采用CF復合材料車架的量產(chǎn)汽車之一，其車架完全暴露在外，不需要額外涂漆。

最終，CF汽車將更輕（估計減重30-40%），這使得采用更小的發(fā)動機，或者更小和更輕的電池組成為可能，最終帶來更大的節(jié)約。不幸的是，對于如此大規(guī)模的應用，碳纖維的成本仍然太高（即使是3美元/磅）。然而，在這個成本范圍內(nèi)，可以預見碳纖維在比我們現(xiàn)在在超級跑車中看到的更重要的部件中會有更廣泛的使用，例如在底盤、車頂和承重系統(tǒng)（動力系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)等）的部分，目前主要使用的還是鈦和鋁。

即使在這種有限的發(fā)展中，CF也能提供顯著的重量再分配優(yōu)勢。例如，汽車上的輕質(zhì)部件（車頂）可以降低重心，提供更好的操控性，安全性也更好。

3.你們已經(jīng)成功地從廉價的石油提煉廢料原料中制造出碳纖維。能否請您描述一下您是如何做到這一點的？

這項工作結合了復雜的計算模型和最先進的碳纖維制造設施（包括實驗室規(guī)模和中試規(guī)模），以開發(fā)新的從碳氫化合物瀝青中制造碳纖維的配方并不斷優(yōu)化。這項工作的首要目標是開發(fā)一個可實現(xiàn)的、逼真的原子學模型和相關的CF原型，該原型能展現(xiàn)纖維的各種性能和結構特點。

模型中的關鍵是對實驗數(shù)據(jù)的重度依賴，這不僅是為了驗證模型，也是為了讓建模和實驗纖維之間有一對一的關系。因此，纖維前體（瀝青）中的分子化合物的選擇是通過從實驗室使用的實際瀝青的質(zhì)譜數(shù)據(jù)中選擇分子大小、功能和分布來實現(xiàn)的。 

同時，當纖維模型進行彈性測試時，獲得的密度和彈性模量值直接（即沒有參數(shù)校正）與在相同條件下制造的實驗纖維的測試數(shù)據(jù)進行評估?？紤]到這種實驗驅(qū)動的方法，模型是分步驟開發(fā)的。

首先，瀝青前體分子是異質(zhì)的；因此，我們認為初始分子的形狀、大小、官能團和分散性可能影響最終的性能。其次，所使用的制造程序?qū)е碌募庸?shù)，如密度、溫度、氧氣擴散率等，也會影響最終性能。這兩個因素導致了我們要研究的參數(shù)空間很大。

我們想設計一個能夠足夠準確地預測纖維的建?？蚣?，供實驗者使用，因此我們決定選擇我們的參數(shù)和設計策略來密切復制實驗程序。為了說明初始前體分子的異質(zhì)性，我們使用了實驗合作者給我們的光譜，并設計了我們的初始分子集，使其可以復制光譜。接下來，為了說明制造程序，我們做了以下工作：

①為了說明中相轉換和熔融紡絲步驟導致的排列增加，我們?yōu)槊總€系統(tǒng)設計了兩個子系統(tǒng)：一個是分子（在盒子里）隨機放置，從而建立了各向同性的模型，另一個是分子沿給定方向排列，從而建立了各向異性的模型。

②由于穩(wěn)定化和碳化的要點都是在相鄰的分子之間建立交聯(lián)，我們通過最初去除初始碳氫化合物中一定比例的氫原子來激活交聯(lián)的位點來模擬。

③最后，就像實驗中的石墨化步驟一樣，我們也將碳化步驟后得到的（模擬）纖維在一定時間內(nèi)置于高溫下，隨后得到了彈性模量列表。

最重要的是，所提出的幾個CF模型被用來在實驗室中生產(chǎn)同樣性能的纖維，驗證了性能目標以及與現(xiàn)有制造設施和方法的兼容性。此外，它帶來了一種具有高拉伸和壓縮模量的新型高密度碳纖維的開發(fā)。這很新穎，因為大多數(shù)碳纖維都有很高的拉伸性能，但壓縮性能很差，所以未來的使用將帶來其在承重部件中的應用。

4.這些新的采用石油廢料制造的碳纖維的性能與傳統(tǒng)生產(chǎn)的纖維相比如何？

純粹的從性能角度來看，采用石油廢料制造的碳纖維的性能與普通聚合物基碳纖維（使用聚丙烯腈-PAN作為聚合物前體）一樣好。然而，采用石油廢料制造碳纖維的主要吸引力在于其潛在的成本節(jié)約能力。在基于PAN的CF中，主要的成本來自于前驅(qū)體本身，而根據(jù)我們的估計，過渡到石油廢料可以將原料的成本降低2-3倍。

這就是使用 "廢物 "原料，而不是高度工程化的聚合物的優(yōu)勢。瀝青基碳纖維目前主要部署在高端市場（航空航天），不僅因為其機械性能，而且因為其熱性能，因為它們具有非常高的導熱性。