研究人员找到了让碳纤维耐高温的低成本、可扩展解决方案
碳纤维具有很多优点，例如重量轻、强度大等等，但存在一个主要缺点，在极端温度下——例如在航空航天工业中经常遇到的——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。氧化会迅速削弱碳纤维的优异品质，尤其是其强度。一个国际研究小组为这个问题找到了一个低成本和可扩展的解决方案——在熔盐中自我形成保护涂层。
由于生产工艺的提升，碳纤维已经具有很强的抗热性，能够在高达 800°C 的空气中保持稳定。这使它非常适用于各种应用，从自行车架到汽车，到医疗设备，甚至是吉他。然而，当它被置于极端的温度下时，可能会遇到麻烦，例如在航空航天工业中遇到的情况。在这种条件下，它与氧气发生反应并燃烧，导致其结构和品质迅速退化。
在最近发表在PNAS 上的一篇论文中，由 Yongfeng Lu 带领，来自内布拉斯加大学林肯分校和法国波尔多凝聚态化学研究所的研究团队朝着这个目标迈出了重要的一步。他们开发了一种低成本、可扩展的方法来保护碳纤维免受氧化。该方法比其他费力、缓慢且昂贵的抗氧化过程具有显著的改进。
Lu 表示：“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。如果我们能使它们不易燃，使它们在暴露于火中时不会燃烧，那将是令人兴奋的”。
在开发更耐火的碳纤维上，此前科学家已经取得了一些进展，但是这些进展都涉及到昂贵的设备，步骤也非常复杂，并且可能会遇到不可预测的化学反应。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。
Fig. 2. Steps to form the multilayer coating: (A and B) SEM micrographs after salt quenching at different times of 0 and 10 min with illustrations, (C) EDX analysis of the salt quenched at 10 min, and (D and E) SEM micrographs after salt quenching at different times of 20 and 30 min with illustrations.
当研究人员用氧乙炔火焰模拟极端温度(约2200华氏度)和极端环境条件，评估涂层碳纤维时，他们发现碳材料保持了其结构。Lu表示，下一步是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。
Lu的团队并不是第一个探索保护碳纤维不受氧化的方法的团队，但如果在进一步的测试中成功，这将是第一个具有大规模可行性的方法。以往的方法，如化学气相沉积，涉及昂贵的设备、多步骤和难以控制的化学反应。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。
◾ 文献信息：
Spontaneous formation of multilayer refractory carbide coatings in a molten salt media
Loic Constantin, Lisha Fan, Mathilde Pouey, Jérôme Roger, Bai Cui, Jean-François Silvain, Yong Feng Lu
Proceedings of the National Academy of Sciences May 2021, 118 (18) e2100663118;
DOI: 10.1073/pnas.2100663118
参考来源：UNIVERSITY of NEBRASKA–LINCOLN
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