Según un equipo de investigadores, una nueva forma de crear fibras de carbono, que generalmente son caras de fabricar, podría algún día conducir al uso de estos materiales ligeros y de alta resistencia para mejorar la seguridad y reducir el costo de producción de automóviles.Utilizando una combinación de simulaciones por computadora y experimentos de laboratorio, el equipo descubrió que agregar pequeñas cantidades de grafeno 2D al proceso de producción reduce el costo de producción y fortalece las fibras.
Durante décadas, las fibras de carbono han sido un pilar de la producción de aviones. Si se crean de la manera correcta, estos largos filamentos de átomos a base de carbono, más estrechos que el cabello humano, son livianos, rígidos y fuertes, una aplicación perfecta para mantener a los pasajerosseguro en un vehículo que se eleva millas por encima del suelo.
"A pesar de que las fibras de carbono tienen características realmente agradables, harían que un automóvil sea mucho más caro" con la forma en que se fabrican las fibras de carbono ahora, dijo Adri van Duin, profesor de ingeniería mecánica y química, Penn State ". Si puede obtenerestas propiedades son más fáciles de fabricar, entonces puede hacer que los autos sean significativamente más livianos, reducir el costo de ellos y hacerlos más seguros "
La fibra de carbono se vende por alrededor de $ 15 por libra hoy, y el equipo, que incluye investigadores de Penn State, la Universidad de Virginia y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, en colaboración con los socios de la industria Solvay y Oshkosh, quiere reducir eso a $ 5 por librahaciendo cambios en el complejo proceso de producción. Un costo de producción más bajo aumentará las aplicaciones potenciales de la fibra de carbono, incluso en automóviles. Además, la investigación del equipo puede reducir el costo de producir otros tipos de fibras de carbono, algunas de las cuales se venden por hasta $ 900 porlibra hoy.
"Actualmente, la mayoría de las fibras de carbono se producen a partir de un polímero conocido como poliacrilonitrilo, o PAN, y es bastante costoso", dijo Ma? Gorzata Kowalik, investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica del estado de Penn. "El precio del PAN representa alrededor de 50% del costo de producción de fibras de carbono "
PAN se utiliza para crear el 90% de las fibras de carbono que se encuentran en el mercado hoy en día, pero su producción requiere una enorme cantidad de energía. Primero, las fibras de PAN deben calentarse a 200-300 grados Celsius para oxidarlas. Luego, debencalentar a 1.200-1.600 grados Celsius para transformar los átomos en carbono. Finalmente, deben calentarse a 2.100 grados Celsius para que las moléculas estén alineadas correctamente. Sin esta serie de pasos, el material resultante carecería de la resistencia y rigidez necesarias.
El equipo informó en una edición reciente de Avances científicos que agregar pequeñas cantidades de grafeno - solo 0.075% de concentración en peso - a las primeras etapas de este proceso permitió al equipo crear una fibra de carbono que tenía un 225% más de resistencia y un 184% más de rigidez que el PAN convencional-a base de fibras de carbono.
El equipo obtuvo información sobre las reacciones químicas que tienen lugar a través de una serie de simulaciones por computadora a pequeña y gran escala realizadas en varias supercomputadoras, el Instituto de Ciencias de la Computación y de Datos ICDS de CyberInfrastructure avanzada; la National Science Foundation NSF -CyberLAMP, financiado por ICDS, y Extreme Science and Engineering Discovery Environment XSEDE, financiado por NSF, una red de supercomputadoras y recursos relacionados con varios institutos. También estudiaron las propiedades de cada material utilizando laboratorios en Penn State's Materials ResearchInstituto MRI.
"Conectamos experimentos de diferentes escalas para mostrar no solo que este proceso funciona, sino que nos dio una razón de escala atomística por la que funcionan estos tipos de aditivos", dijo van Duin, también director del Centro de Computación de Materiales de MRI y unAsociado de ICDS: "Ese conocimiento nos permite optimizar aún más el proceso"
La estructura plana de grafeno ayuda a alinear las moléculas de PAN de manera consistente en toda la fibra, lo cual es necesario en el proceso de producción. Además, a altas temperaturas, los bordes de grafeno tienen una propiedad catalítica natural de modo que "el resto de PAN se condensa alrededor de estos bordes".dijo van Duin.
Con el nuevo conocimiento obtenido de este estudio, el equipo está explorando formas de utilizar más el grafeno en este proceso de producción utilizando precursores más baratos, con el objetivo de eliminar uno o más de los pasos de producción, reduciendo así los costos aún más.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :