國際新研發：低成本、可擴展的方法可保護碳纖維免受氧化
在過去的 50 年里，制造商一直認為碳纖維是一種理想的材料：雖然單根纖維比一根人的頭發還細，但它們可以扭在一起并與基體材料融合，形成一種比鋼強兩倍的輕質復合材料作為剛性和良好的熱導體。而且，與金屬不同的是，這種材料不會隨著時間的推移而破裂。它已用于廣泛的應用，包括航空和航天器、汽車、建筑、醫療設備和運動設備。
在自發反應之后，該過程產生了一個由碳化鉻和碳化鈦制成的三層涂層，作為抗氧化的屏障。涂層是多層的，因為鈦和鉻在熔鹽中各自具有不同的行為和反應速率，從而形成三層不同的終產品。與單層相比，這種三層涂層可提供額外的保護。
Lu 的團隊并不是個探索保護碳纖維免受氧化的方法，但如果在進一步測試中成功，該方法將是個具有大規?？尚行缘姆椒?。以前的方法，例如化學氣相沉積，涉及昂貴的設備、多個步驟和難以控制的化學反應。所述熔融鹽的方法規避這些缺陷通過使用在約1800華氏度的相對低的溫度經歷自發的過程基本的，廉價的材料。
該過程也快速而干凈，使其可用于廣泛的工業用途。
研究人員稱，他們下一步將確定涂層纖維與未涂層纖維相比防火程度如何，以及在極端條件下它們能保持其優異特性多長時間。
但碳纖維有一個主要缺點，碳材料專家、Husker 工程師Yongfeng Lu說。在極端溫度下，例如航空航天工業中經常遇到的碳纖維會氧化，這意味著它會與空氣中的氧氣發生反應并燃燒，就像木材在與足夠的熱量和氧氣結合時發生的那樣。氧化會迅速削弱碳纖維的夢幻般的品質，尤其是其強度。
碳纖維的一個弱點是，如果有足夠高的溫度和氧氣，它們很容易燃燒，如果我們能讓它們不易燃，這樣它們在火中就不會燃燒，那將是令人興奮的。
在近發表在PNAS 上的一篇論文中，Lu 的團隊描述了朝著這個目標邁出的重要一步。他和來自內布拉斯加大學林肯分校和法國波爾多凝聚態化學研究所的同事開發了一種低成本、可擴展的方法來保護碳纖維免受氧化。該方法比其他費力、緩慢且昂貴的抗氧化過程具有顯著的改進。
我們正在嘗試添加可以將碳纖維與氧氣分離的表面層，這樣即使在高溫下，它們也不會被燃燒，碳纖維可以以多種方式使用——編織成紡織品以及建筑物、飛機、電子設備的部件——但如果它們易燃，就會給系統帶來新的風險，并極大地限制了這些應用。
為了消除可燃性，盧的團隊設計了一個簡單的單步流程，從熔化化學上與食鹽非常相似的鹽開始。在鹽晶體變成液體后，研究人員添加了已知耐高溫的鈦和鉻粉末。然后將碳纖維添加到混合物中。
在自發反應之后，該過程產生了一個由碳化鉻和碳化鈦制成的三層涂層，作為抗氧化的屏障。涂層是多層的，因為鈦和鉻在熔鹽中各自具有不同的行為和反應速率，從而形成三層不同的終產品。與單層相比，這種三層涂層可提供額外的保護。
當研究人員在極端溫度（約 2,200 華氏度）和極端環境條件下評估涂層碳纖維時，他們用氧乙炔火焰模擬，發現碳材料保持了其結構。下一步是確定涂層纖維與未受保護的對應物相比的防火性如何，以及它們在極端條件下可以保持其有價值的特性多長時間。
Lu 的團隊并不是個探索保護碳纖維免受氧化的方法，但如果在進一步測試中成功，該方法將是個具有大規?？尚行缘姆椒?。以前的方法，例如化學氣相沉積，涉及昂貴的設備、多個步驟和難以控制的化學反應。所述熔融鹽的方法規避這些缺陷通過使用在約1800華氏度的相對低的溫度經歷自發的過程基本的，廉價的材料。
該過程也快速而干凈，使其可用于廣泛的工業用途。
研究人員稱，他們下一步將確定涂層纖維與未涂層纖維相比防火程度如何，以及在極端條件下它們能保持其優異特性多長時間。
