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美国新工艺攻克碳纤维易燃弊端 成本低廉未来料有更多工业用途
科学家们指出,碳纤维可以在很多方面使用,例如编织纺织品,建筑、飞机、电子设备等,但如果它们是易燃的,就会对系统造成新的风险,极大地限制了这些应用。

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,碳纤维具有很多优点,例如重量轻、强度大等等,但它也存在一个主要缺点,即在极端温度下碳纤维会氧化,这意味着它会与空气中的氧气发生反应并燃烧,这在航空航天工业中经常会遇到。

一直以来,科学家们都在致力于解决碳纤维在高温下燃烧的问题,一个国际研究团队现在已经找到了一种低成本和可扩展的解决方案,即在熔融盐中自我形成的保护涂层。

通过工艺的提升,碳纤维已经具有很高的耐热性,能够在高达800°C(1472°F)的空气中保持稳定。这使得它非常适合于各种应用,从自行车架,到汽车,到医疗设备,甚至吉他。然而,当它遇到极端温度时,就会遇到麻烦,比如在航空航天工业中会遇到的情况:它会与氧气反应并燃烧,导致结构和品质迅速退化。

“碳纤维的一个弱点是,如果你有足够高的温度和氧气存在,它们很容易燃烧,”来自美国内布拉斯加大学林肯分校的研究人员表示,“如果我们能让它们不易燃,使它们在暴露于火中时不会燃烧,那将是令人兴奋的。”

此前,科学家们已经在开发更耐火的碳纤维方面取得了进展,但这需要使用昂贵的设备、复杂的多步骤工艺和不可预测的化学反应。

但这项新研究的作者想出了一个简单而廉价的解决方案——从熔化化学上与食盐非常相似的盐(KCl)开始。这个过程是在 1800°F(982°C)下进行的,在盐晶体变成液体后,研究人员添加了已知耐高温的钛和铬粉末。然后将碳纤维添加到混合物中。

在自发反应之后,该过程产生了三层涂层(由碳化铬和碳化钛组成)作为抗氧化的屏障。因为钛和铬在熔盐中各自具有不同的行为和反应速率,从而形成具有三个不同层次的保护层。与单层相比,这种三层涂层可提供额外的保护。

随后,研究人员通过实验评估了其性能。在实验中,涂层碳纤维经受住了约2200°F(1200°C)的极端条件和氧乙炔炬,碳纤维成功地保持了整个结构。由碳化铬和碳化钛组成的三层涂层被发现比单层涂层能够提供更多的保护。

与以往的方法相比,熔盐方法通过使用基本的、廉价的材料,在相对较低的温度(约1800华氏度)下自发进行过程,从而避免了这些缺点。该过程同时具有快速和清洁的有点,使其具有巨大的工业应用潜力。

研究人员还称,他们下一步将确定涂层纤维与未涂层纤维相比防火程度如何,以及在极端条件下它们能保持其优异特性多长时间。

“碳纤维可以在很多方面使用,例如编织纺织品,建筑、飞机、电子设备等,但如果它们是易燃的,就会对系统造成新的风险,极大地限制了这些应用。”他们补充道。

责编 | 林琦
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