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据一个研究小组称，制造碳纤维的新方法(通常制造成本高)可以实现轻质高强度材料的安全性，并降低生产汽车的成本。通过计算机模拟和实验室实验相结合，研究小组发现在生产过程中加入少量的二维石墨烯不仅降低了生产成本，而且增强了纤维的强度。
几十年来，碳纤维一直是飞机生产的支柱。如果制造方法正确，这些碳原子长链(比人的头发还细)将会很轻、很硬、很结实，这是一种理想的应用，可以确保离地面几英里的飞行器上乘客的安全。
宾夕法尼亚州立大学的机械和化学工程教授阿德里·范·杜恩说:“尽管碳纤维具有非常好的性能，但它们也使汽车以现在的方式变得更加昂贵。”“如果你能让这些性能更容易制造，你就能让汽车更轻，降低成本，提高安全性。”
如今，碳纤维的价格约为每磅15美元。该团队(包括宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员)正与行业合作伙伴苏威和奥什科什合作，通过将碳纤维价格降至每磅5美元来实现这一目标。改变复杂的生产流程。降低生产成本将增加碳纤维在汽车中的潜在应用。此外，该团队的研究可能会降低生产其他类型碳纤维的成本，其中一些碳纤维现在的成本高达每磅900美元。
宾夕法尼亚州立大学机械工程系的研究员马佐格扎科瓦利克说:“目前，大多数碳纤维是由一种叫做聚丙烯腈或聚丙烯腈的聚合物制成的，成本非常高。”“聚丙烯腈的价格约占碳纤维生产成本的50%。
碳纤维今天的售价约为每磅15美元。该团队包括来自宾夕法尼亚州立大学、弗吉尼亚大学和橡树岭国家实验室的研究人员，他们与行业合作伙伴苏威和奥什科什合作，希望通过改变复杂的生产工艺将价格降低到每磅5美元。较低的生产成本将增加碳纤维的潜在应用，包括在汽车中的应用。此外，该团队的研究可能会降低生产其他类型碳纤维的成本，其中一些碳纤维目前的价格高达每磅900美元。
宾夕法尼亚州立大学机械工程系的研究员马戈扎塔·科瓦利克说:“目前，大多数碳纤维是由聚丙烯腈聚合物制成的，成本相当高。”聚丙烯腈的价格约占碳纤维生产成本的50%。"
今天市场上90%的碳纤维是由聚丙烯腈制成的，但是它的生产需要大量的能源。首先，聚丙烯腈纤维必须加热到200-300摄氏度才能氧化。接下来，它们必须被加热到1200-1600摄氏度，才能将原子转化为碳。最后，它们必须被加热到2100摄氏度，以使分子正确排列。如果没有这一系列步骤，所获得的材料将缺乏所需的强度和刚度。
该团队在最新一期《科学进展》杂志上报道称，在该工艺的第一阶段添加少量石墨烯(浓度仅为0.075%重量)可以分别提高碳纤维的强度和刚度225%和184%，优于传统生产的聚丙烯腈基碳纤维。
该小组通过一系列大大小小的计算机模拟来收集化学反应信息，这些计算机模拟是在几台超级计算机的先进网络基础设施上进行的，即计算和数据科学研究所(ICDS)。他们还利用宾夕法尼亚州立大学材料研究所的实验室研究了每种材料的特性。
核磁共振成像材料计算中心主任、ICDS的工作人员凡·杜恩说:“我们已经把不同尺度的实验联系起来，这不仅表明这个过程是有效的，而且也为我们提供了一个为什么这种添加剂在原子尺度上起作用的原因。”。"这些知识使我们能够进一步优化过程."
石墨烯的水平组织有助于在整个纤维中均匀排列聚丙烯腈分子，这在生产过程中是必要的。此外，石墨烯边缘在高温下具有天然的催化性能，所以“剩余的聚丙烯腈会在这些边缘附近凝结，”van Duin说。
利用从这项研究中获得的新知识，该团队正在探索在生产过程中使用更便宜的前体进一步使用石墨烯的方法，目的是减少一个或多个生产步骤，从而进一步降低成本。
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