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(diǎn)是具有高剛度、高抗拉強(qiáng)度、高強(qiáng)度與重量比、高耐化學(xué)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(qiáng)地競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樵谶_(dá)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(dú)使用，因?yàn)樗鼈兛雌饋砭拖褚豢|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(fù)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(jié)構(gòu)，同時(shí)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(qiáng)度和彈性模量，但其抗壓性能卻沒有那么好。這在復(fù)合材料層面和CF層面都是如此。簡(jiǎn)單地說，這是因?yàn)樘祭w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(qiáng)度來自于這些片內(nèi)非常強(qiáng)的碳鍵。然而，在壓縮情況下，薄弱的層間結(jié)合限制了CF的強(qiáng)度。這實(shí)質(zhì)上是CF分子結(jié)構(gòu)的各向異性的結(jié)果。在復(fù)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(shí)達(dá)到高強(qiáng)度和高模量的纖維需要從根本上重新設(shè)計(jì)分子結(jié)構(gòu)，這就是我們?cè)谶@項(xiàng)工作中實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)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(yīng)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(jià)格為10-15美元/磅，對(duì)于航空應(yīng)用其價(jià)格在此基礎(chǔ)上要高出很多。（大多數(shù)火箭和幾架新一代飛機(jī)上碳纖維復(fù)合材料部件的使用量達(dá)50%以上）。作為參考，目前鋁的價(jià)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(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)榕c金屬相比，碳纖維具有很高的比強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)相同的性能需要的碳纖維的重量遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度的所有地方使用CF，從底盤到結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)塑料部件，使其既具有結(jié)構(gòu)性又具有功能性。當(dāng)然，這樣做不僅僅是為了營(yíng)銷。CF將永遠(yuǎn)比金屬材料更輕、更強(qiáng)，同時(shí)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(fù)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(jì)減重30-40%），這使得采用更小的發(fā)動(dòng)機(jī)，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(duì)于如此大規(guī)模的應(yīng)用，碳纖維的成本仍然太高（即使是3美元/磅）。然而，在這個(gè)成本范圍內(nèi)，可以預(yù)見碳纖維在比我們現(xiàn)在在超級(jí)跑車中看到的更重要的部件中會(huì)有更廣泛的使用，例如在底盤、車頂和承重系統(tǒng)（動(dòng)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(shì)。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(jià)的石油提煉廢料原料中制造出碳纖維。能否請(qǐng)您描述一下您是如何做到這一點(diǎn)的？

這項(xiàng)工作結(jié)合了復(fù)雜的計(jì)算模型和最先進(jìn)的碳纖維制造設(shè)施（包括實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和中試規(guī)模），以開發(fā)新的從碳?xì)浠衔餅r青中制造碳纖維的配方并不斷優(yōu)化。這項(xiàng)工作的首要目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)可實(shí)現(xiàn)的、逼真的原子學(xué)模型和相關(guān)的CF原型，該原型能展現(xiàn)纖維的各種性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

模型中的關(guān)鍵是對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的重度依賴，這不僅是為了驗(yàn)證模型，也是為了讓建模和實(shí)驗(yàn)纖維之間有一對(duì)一的關(guān)系。因此，纖維前體（瀝青）中的分子化合物的選擇是通過從實(shí)驗(yàn)室使用的實(shí)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(shí)現(xiàn)的。 

同時(shí)，當(dāng)纖維模型進(jìn)行彈性測(cè)試時(shí)，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(shí)驗(yàn)纖維的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。考慮到這種實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)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(rèn)為初始分子的形狀、大小、官能團(tuán)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(kuò)散率等，也會(huì)影響最終性能。這兩個(gè)因素導(dǎo)致了我們要研究的參數(shù)空間很大。

我們想設(shè)計(jì)一個(gè)能夠足夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)纖維的建模框架，供實(shí)驗(yàn)者使用，因此我們決定選擇我們的參數(shù)和設(shè)計(jì)策略來密切復(fù)制實(shí)驗(yàn)程序。為了說明初始前體分子的異質(zhì)性，我們使用了實(shí)驗(yàn)合作者給我們的光譜，并設(shè)計(jì)了我們的初始分子集，使其可以復(fù)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(zhuǎn)換和熔融紡絲步驟導(dǎo)致的排列增加，我們?yōu)槊總€(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)子系統(tǒng)：一個(gè)是分子（在盒子里）隨機(jī)放置，從而建立了各向同性的模型，另一個(gè)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(diǎn)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?xì)浠衔镏幸欢ū壤臍湓觼砑せ罱宦?lián)的位點(diǎn)來模擬。

③最后，就像實(shí)驗(yàn)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(shí)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(gè)CF模型被用來在實(shí)驗(yàn)室中生產(chǎn)同樣性能的纖維，驗(yàn)證了性能目標(biāo)以及與現(xiàn)有制造設(shè)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?yàn)榇蠖鄶?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(yīng)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(jì)，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(shì)。瀝青基碳纖維目前主要部署在高端市場(chǎng)（航空航天），不僅因?yàn)槠錂C(jī)械性能，而且因?yàn)槠錈嵝阅埽驗(yàn)樗鼈兙哂蟹浅８叩膶?dǎo)熱性。