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车前草和碳纳米管如何改善汽车

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-16 】 点击次数:
豪华汽车并不是寻找剑麻,大麻或木材之类的地方。然而汽车制造商已经使用天然纤维已有数十年了。一些高档轿车和双门轿跑车在复合材料中使用这些材料,这些材料用于室内门板,发动机,内部和隔音材料以及发动机内部盖等。
汽车制造商数十年来一直在高端轿车和双门轿跑车中使用天然纤维。室内门板使用了大麻,亚麻和木材等天然纤维。以及发动机,内饰和隔音材料。但是这种天然纤维聚合物复合材料会破裂,断裂和弯曲。约翰内斯堡大学的研究人员表明,车前草假茎是一种新兴的可再生资源,可用于汽车工业的新型轻型纳米复合材料。减少车辆的质量可以提高燃油效率。图片来源:约翰内斯堡大学的Therese van Wyk博士Patrick Ehi Imoisili。
 
与钢或铝不同,天然纤维复合材料不会生锈或腐蚀。它们也可以是耐用的并且容易模制。用于汽车的纤维增强聚合物复合材料的最大优点是重量轻,良好的碰撞性能以及降噪和减振的特性。但是,利用可再生资源制造汽车的更多零件是一个挑战。天然纤维聚合物复合材料可能会破裂,断裂和弯曲。原因包括复合材料中的低拉伸强度,弯曲强度和冲击强度。
 
约翰内斯堡大学的研究人员现已证明,车前草是一种淀粉状的香蕉,是一种新兴的汽车工业复合材料的有前途的来源。天然车前草纤维与碳纳米管和环氧树脂结合形成天然纤维增强的聚合物杂化纳米复合材料。车前草是非洲,亚洲和南美热带地区的常年主粮作物。煮熟的车前草种类很多。
 
研究人员用环氧树脂,经过处理的车前草纤维和碳纳米管模制了一种复合材料。纳米管的最佳量为车前草-环氧树脂的总重量的1%。所得的车前草纳米复合材料比单独的环氧树脂强得多且更坚硬。与单独的环氧树脂相比,该复合材料的拉伸强度高31%,弯曲强度高34%。该纳米复合材料还具有比单独的环氧树脂高52%的拉伸模量和29%的挠曲模量。
 
“车前草与多壁碳纳米管的杂化提高了复合材料的机械强度和热强度。这些增加使得杂化复合材料成为某些汽车零件的竞争性和替代材料,”该领域的首席研究员Tien-Chien Jen教授说。约翰内斯堡大学机械工程科学系系主任和研究。
 
天然纤维与金属
 
 
 
约翰内斯堡大学机械工程科学系的博士后研究员Patrick Ehi Imoisili博士说,用可再生资源生产汽车零件有很多好处。Imoisili说:“ 在车辆中使用天然纤维的趋势。原因是天然纤维复合材料具有可再生性,低成本和低密度。它们具有较高的比强度和刚度。制造工艺相对安全。” “使用由这些复合材料制成的汽车零件,可以减少车辆的重量。这可以带来更好的燃油效率和安全性。这些零件不会像金属一样生锈或腐蚀。而且,它们可以是坚固,耐用且易于成型的。 ”
 
但是,Imoisili说,目前某些天然纤维增强聚合物复合材料具有诸如吸水,低冲击强度和低耐热性等缺点,会导致汽车部件开裂,弯曲或翘曲等后果。
 
研究人员对车前草纳米复合材料进行了一系列标准化工业测试。其中包括ASTM测试方法D638和D790,根据ASTM A-370标准进行的冲击测试以及ASTM D-2240。测试表明,与单独的环氧树脂相比,具有1%纳米管的复合材料具有最佳的强度和刚度。与单独的环氧树脂相比,车前草纳米复合材料还显示出显微硬度,冲击强度和导热性的显着改善。
 
由天然纤维成型纳米复合材料
 
研究人员制造了压模应力测试对象。他们使用了一份不可食用的车前草纤维,四份环氧树脂和多壁碳纳米管。环氧树脂和纳米管来自商业供应商。环氧树脂类似于汽车制造商在某些汽车零件中使用的树脂。车前草纤维来自尼日利亚西南部的车前草植物的“树干”或假茎。假茎由紧密重叠的叶子组成。
 
研究人员用几种方法处理了车前草纤维。第一个过程是一种古老的方法,称为水脱胶法,用于从茎中分离植物纤维。在第二步中,将纤维在3%的苛性钠溶液中浸泡4小时。干燥后,将纤维在550W下用2.45GHz的高频微波辐射处理2分钟。苛性钠和微波处理改善了纳米复合材料中车前草纤维和环氧树脂之间的粘合力。
 
接下来,研究人员将纳米管分散在乙醇中,以防止复合物中的管束聚集。此后,车前草纤维,纳米管和环氧树脂合并的模具的内部。然后在室温下用负荷将模具压缩24小时。
 
粮食作物与工业原料
 
车前草生长在全世界的热带地区。其中包括北美的墨西哥,佛罗里达和德克萨斯州;巴西,洪都拉斯,南美和中美洲的危地马拉;印度,中国和东南亚。在西非和中非,农民在喀麦隆,加纳,乌干达,卢旺达,尼日利亚,科特迪瓦和贝宁种植车前草。
 
使用主要主粮作物中的生物质会给低收入人群的粮食安全造成问题。另外,汽车工业将需要获得可靠的天然纤维来源,以增加天然纤维复合材料的使用。就大蕉而言,粮食安全与复合材料工业用途之间的潜在紧张关系很小。这是因为大蕉农户收获后将假茎作为农业废弃物丢弃。

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