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  • La fibra de carbono reforzada con grafeno puede conducir a materiales de coche más fuertes

    Usando experimentos de laboratorio y simulaciones por computadora, mostrado aquí, un equipo de investigadores descubrió que agregar grafeno al proceso de producción de fibra de carbono fortalece en gran medida el material, y esto puede algún día allanar el camino para una mayor resistencia, Materiales de automóvil rentables. Crédito:Margaret Kowalik y Adri van Duin / Penn State

    Una nueva forma de crear fibras de carbono, que suelen ser caras de fabricar, podría algún día llevar al uso de estas fibras ligeras, Materiales de alta resistencia para mejorar la seguridad y reducir el costo de producción de automóviles. según un equipo de investigadores. Usando una combinación de simulaciones por computadora y experimentos de laboratorio, El equipo descubrió que agregar pequeñas cantidades de grafeno 2-D al proceso de producción reduce el costo de producción y fortalece las fibras.

    Por décadas, Las fibras de carbono han sido un pilar de la producción de aviones. Si se crea de la manera correcta, estas largas hebras de átomos basados ​​en carbono, más estrecho que el cabello humano, son ligeros, rígido y resistente:una aplicación perfecta para mantener seguros a los pasajeros en un vehículo que se eleva a kilómetros del suelo.

    "Aunque las fibras de carbono tienen características realmente agradables, harían un coche mucho más caro "con la forma en que se fabrican ahora las fibras de carbono, dijo Adri van Duin, profesor de ingeniería mecánica y química, Penn State. "Si puede hacer que estas propiedades sean más fáciles de fabricar, entonces puede hacer que los automóviles sean significativamente más livianos, reducir su costo y hacerlos más seguros ".

    La fibra de carbono se vende hoy por alrededor de $ 15 por libra, 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 libra haciendo cambios en el complejo proceso de producción. Un costo de producción más bajo aumentará las aplicaciones potenciales de la fibra de carbono, incluso en coches. Más lejos, La investigación del equipo puede reducir el costo de producción de otros tipos de fibras de carbono. algunos de los cuales se venden hoy por hasta $ 900 la libra.

    "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 Małgorzata Kowalik, investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica de Penn State. "El precio del PAN representa alrededor del 50% del costo de producción de las fibras de carbono".

    Los investigadores encontraron una forma de fortalecer las fibras de carbono, que se utilizan ampliamente en la industria de las aerolíneas pero suelen ser muy caras. La adición de grafeno aumenta la resistencia y rigidez del material, y allanó el camino para fabricar un material rentable que algún día podría fortalecer los automóviles. Se muestra una simulación por computadora de la adición de grafeno al proceso de crecimiento de fibras de carbono. Este proyecto es una colaboración entre Penn State, la Universidad de Virginia, Laboratorio Nacional Oak Ridge, Solvay y Oshkosh.

    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. Próximo, deben calentarse a 1, 200-1, 600 grados centígrados para transformar los átomos en carbono. Finalmente, tienen que 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 de la ciencia que agregar trazas de grafeno (solo una concentración de 0.075% por 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 las fibras de carbono a base de PAN fabricadas de manera convencional.

    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. la Infraestructura Cibernética Avanzada del Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos (ICDS); CyberLAMP, financiada por la National Science Foundation (NSF), que es mantenido por ICDS; y el entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas (XSEDE), financiado por la NSF, una red de varios institutos de supercomputadoras y recursos relacionados. También estudiaron las propiedades de cada material utilizando laboratorios en el Instituto de Investigación de Materiales (MRI) de Penn State.

    "Conectamos experimentos de diferentes escalas para mostrar no solo que este proceso funciona, pero nos dio una razón a escala atomística por la que funcionan estos tipos de aditivos, "dijo van Duin, también es el director del Centro de Computación de Materiales de MRI y un asociado de ICDS. "Ese conocimiento nos permite optimizar aún más el proceso".

    La estructura plana del grafeno ayuda a alinear las moléculas de PAN consistentemente en toda la fibra, que se necesita en el proceso de producción. Más lejos, a altas temperaturas, los bordes del grafeno tienen una propiedad catalítica natural de modo que "el resto de PAN se condensa alrededor de estos bordes, "dijo van Duin.

    Con los nuevos conocimientos adquiridos en este estudio, el equipo está explorando formas de seguir utilizando el grafeno en este proceso de producción utilizando precursores más baratos, con el objetivo de eliminar uno o más de los pasos de producción por completo, reduciendo así los costes aún más.


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