我们可以用石油残渣制造汽车吗？

随着世界努力提高汽车和其他车辆的效率以减少温室气体排放并提高电动汽车的续航里程，人们正在寻找更轻且强度足以用于汽车车身的材料。

由碳纤维制成的轻质材料，类似于用于某些网球拍和自行车的材料，兼具出色的强度和重量轻的特点，但与由钢或铝制成的类似结构元件相比，这些材料的生产成本更高。现在，麻省理工学院和其他地方的研究人员已经想出了一种方法，用一种超廉价的原料制造这些轻质纤维：石油精炼过程中留下的沉重、粘稠的废料，如今炼油厂为低价值应用提供材料，例如沥青，或最终被视为废物。

这种新型碳纤维不仅制造成本低，而且比传统碳纤维材料具有优势，因为它具有抗压强度，这意味着它可以用于承重应用。新过程在《科学进展》杂志上进行了描述，该论文由研究生 Asmita Jana、研究科学家 Nicola Ferralis、教授 Jeffrey Grossman 和麻省理工学院、怀俄明州西部研究所和田纳西州橡树岭国家实验室的其他五人撰写。

这项研究大约在四年前开始，以响应能源部的要求，能源部正在寻求通过降低整体重量来提高汽车效率并减少燃料消耗的方法。“如果你现在看同款车型，与 30 年前相比，它明显更重，”Ferralis 说。“在同一类别中，汽车的重量增加了 15% 以上。”

较重的汽车需要更大的发动机、更强的制动器等，因此减轻车身或其他部件的重量会产生连锁反应，从而进一步减轻重量。美国能源部正在推动轻质结构材料的开发，这些材料与当今传统钢板的安全性相匹配，而且制造成本也足够便宜，可以完全替代标准车辆中的钢材。

由碳纤维制成的复合材料并不是一个新想法，但迄今为止，在汽车领域，它们仅用于少数非常昂贵的车型。这项新研究旨在通过提供低成本的起始材料和相对简单的加工方法来扭转这一局面。

Ferralis 说，目前汽车使用所需质量的碳纤维成本至少为每磅 10 至 12 美元，对于航天器部件等特殊应用，“可能更高”，高达每磅数百美元。相比之下，钢材约为每磅 75 美分，铝为 2 美元，尽管这些价格波动很大，而且这些材料通常依赖外国来源。他说，以这样的价格，用碳纤维而不是钢制造皮卡车的成本大约会增加一倍。

这些纤维通常由衍生石油的聚合物(例如聚丙烯腈)制成，但使用成本高昂的中间步骤来聚合碳化合物。Ferralis 说，聚合物的成本占最终纤维总成本的 60% 以上。该团队的新方法不是从使用精炼和加工过的石油产品开始，而是使用本质上是精炼过程后留下的渣滓，一种称为石油沥青的材料。“这就是我们有时所说的桶底，”Ferralis 说。

“球场非常混乱，”他说。它是混合重碳氢化合物的大杂烩，“这实际上是使它在某种程度上变得美丽的原因，因为可以利用的化学物质太多了。这使它成为一种迷人的材料。”

它对燃烧毫无用处——虽然它可以燃烧，但它的燃料太脏了，不实用，在收紧环境法规的情况下尤其如此。“有这么多，”他说，“这些产品的内在价值非常低，所以经常被填埋。”该团队还测试了沥青的替代来源是煤沥青，这是一种类似的材料，是炼焦煤的副产品，例如用于钢铁生产。这个过程产生了大约 80% 的焦炭和 20% 的煤沥青，“这基本上是一种浪费，”他说。

与橡树岭国家实验室的研究人员合作，他们在从实验室规模一直到中试工厂规模的各种条件下制造碳纤维方面拥有专业知识，该团队着手寻找方法来预测性能指导这些制造实验的条件选择。

“无论是在能源需求方面还是在你需要进行的实际加工方面，你实际上需要[从沥青]制造碳纤维的过程实际上都非常少，”Ferralis 说。

Jana 解释说，沥青“由这些异质的分子组成，如果你改变形状或大小，你会期望特性发生巨大变化”，而工业材料需要具有非常一致的特性。

通过仔细模拟组成分子之间的键形成和交联方式，Jana 能够开发出一种方法来预测一组给定的加工条件将如何影响最终的纤维性能。“我们能够以如此惊人的准确性重现结果，”她说，“以至于公司可以获取这些图表并能够预测”纤维的密度和弹性模量等特性。

这项工作产生的结果表明，通过调整起始条件，碳纤维不仅可以像大多数此类纤维一样具有很强的张力，而且还具有很强的压缩性，这意味着它们可以潜在地用于承重应用。他们说，这为这些材料的用途开辟了全新的可能性。

美国能源部呼吁将轻质材料的成本降低到每磅 5 美元以下，但麻省理工学院的团队估计他们的方法可以做得更好，达到每磅 3 美元左右，尽管他们尚未进行详细的经济研究分析。

“我们正在开发的新路线不仅仅是成本效应，”Ferralis 说。“它可能会开辟新的应用，而且不一定是车辆。”制造传统纤维复合材料的部分复杂性在于，必须将纤维制成布料并以精确、详细的图案布置。他说，这样做的原因“是为了弥补抗压强度的不足”。他说，克服材料的缺陷是一个工程问题，但有了新工艺，就不需要额外的复杂性了。

该研究团队包括麻省理工学院的朱泰山和王燕明、西储大学的杰拉米·亚当斯以及橡树岭国家实验室的洛根·科尔尼和阿米特·纳斯卡。这项工作得到了美国能源部的支持。