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首次制造出多孔結構均勻的碳纖維！

2019-05-11 16:14 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

弗吉尼亞理工大學科學學院一名教授希望利用儲存在飛機外殼內(nèi)的能量為飛機和汽車提供動力。他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種方法，利用由嵌段共聚物制成的多孔碳纖維來實現(xiàn)這一設想。碳纖維是一種高性能的工程材料，廣泛應用于航空航天和汽車工業(yè)。其中一個應用是豪華車的外殼，比如梅賽德斯-奔馳(Mercedes-Benz)、寶馬(BMW)或蘭博基尼(Lamborghini)。

碳纖維是一種細如發(fā)絲的碳纖維，具有多種主要的材料性能：它們具有機械強度高、耐化學腐蝕、導電、阻燃等性能，或許最重要的是，它們重量輕。碳纖維的重量提高了燃料和能源效率，生產(chǎn)更快的飛機和車輛。化學系助理教授劉國梁(Greg Liu)提出了這樣一個想法：

為結構和功能設計材料

博科園-科學科普：創(chuàng)造出不僅在結構上有用的碳纖維，它們在功能上也很有用。如果能把它們設計成具有儲能等功能呢？如果想讓它們儲存能量，需要有放置離子的位置。理想情況下，碳纖維可以設計成微孔均勻分布在各處，就像海綿一樣，可以儲存能量離子。對傳統(tǒng)的化學制備碳纖維的方法進行了改進，現(xiàn)在首次開發(fā)出了一種尺寸和間距均相同的多孔碳纖維的合成方法。其研究成果發(fā)表在《科學進展》上的一篇高影響力論文中詳細闡述了這項研究工作。制造多孔碳纖維并不容易，人們已經(jīng)嘗試了幾十年，但碳纖維中氣孔的質(zhì)量和均勻性均不理想。在實驗室里設計、合成、加工這些聚合物，然后把它們制成多孔碳纖維。

用嵌段共聚物制備多孔碳纖維

使用了一種多步驟的化學過程，使用了兩種聚合物（長而重復的分子鏈）稱為聚丙烯腈(PAN)和聚(丙烯腈塊-甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)。PAN作為碳纖維的前體化合物，在高分子化學領域非常有名，而PMMA作為一種持位材料，隨后被去除，形成孔隙。但在過去，其他化學家通常將PAN和PMMA分別混合到溶液中。這就產(chǎn)生了多孔碳纖維，但孔徑和間距不同。表面積越大，儲能越好。表面積越大，孔隙越小，孔隙越均勻。聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)結合的新想法，創(chuàng)造了所謂的嵌段共聚物?；衔锞酆衔锏囊话胧荘AN，另一半是PMMA，它們在中間成共價鍵。這是第一次用嵌段共聚物來制造碳纖維，也是第一次用嵌段共聚物制成的多孔碳纖維來儲能。

（圖示）傳統(tǒng)的(A, B)和新的(C)方法從各種聚合物前體合成碳纖維。(一)純鍋實際上電紡纖維墊,在280°C在空氣中氧化交聯(lián)鍋(藍色)，然后在800°C正交N2生成碳纖維(灰色)。單個聚合物纖維(紫色)被放大以作說明。(B) PAN與犧牲的PMMA(紅色)混合形成聚合物共混物。聚合物共混物經(jīng)氧化后，宏觀相分離，形成非均勻疇。熱解后去除PMMA，氣孔不均勻。(C) PAN-b-PMMA嵌段共聚物微相經(jīng)氧化自組裝后在PAN(藍色)基體中分離成均勻的PMMA納米結構域(紅色)。裂解后的多孔炭纖維孔隙控制良好，分布均勻。圖片：弗吉尼亞理工大學

通常只是從過程的角度來思考，但在這里，是從材料設計的角度來思考。在實驗室合成嵌段共聚物后，黏性溶液經(jīng)過三個化學過程得到多孔碳纖維。第一步是電紡絲，這是一種利用電力來制造纖維束并使溶液硬化成紙狀材料的方法。接下來，劉將聚合物進行氧化加熱。在這一步中，PAN和PMMA自然分離并自組裝成PAN鏈和均勻分散的PMMA域。最后一步，也就是熱解，劉將聚合物加熱到更高的溫度。這個過程將PAN固化成碳，去除PMMA，在纖維中留下相互連接的中孔和微孔。

能量儲存的新可能性

雖然這一突破改善了已經(jīng)高性能的工程材料，但也許更大的突破是能夠使用嵌段共聚物來創(chuàng)建統(tǒng)一的多孔結構，從而實現(xiàn)能量存儲的可能性。這開啟了我們設計儲能材料的思路，現(xiàn)在也可以開始考慮功能了，不僅使用(碳纖維)作為結構材料，而且使用(碳纖維)作為功能材料。劉國梁(Greg Liu)2014年加入弗吉尼亞理工大學(Virginia Tech)以來一直在考慮這個想法，但在2016年通過空軍青年研究員項目(Air Force Young調(diào)查員Program, YIP)提交了一份獲獎方案后，他開始正式研究這個想法。