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“超級材料”-石墨烯的商業化

2017-08-23 14:13:40 作者：本網整理來源：材料科技在線分享至：

從實驗室中提取石墨烯已被證明是具有挑戰性的，但Ray Gibbs解釋說：“材料加工方面的改進已經開始有所回報，特別是在航天領域。

石墨烯具有許多驚人的性能，例如高強度與剛度，高導電性與氣體不滲透性等。這些引人注目的產品已經產生了大量的炒作，幾乎每天都會公布潛在的新應用。然而，隨著石墨烯研究的進展，將實驗室測量的性能轉化為商業應用的任務挑戰已經被證明遠超預期。特別是，生產一致的單層石墨烯（許多潛在電子應用的起點）技術難度大，在商業規模上價格昂貴。

幸運的是，其他類型的石墨烯在其他行業中已被證明有價值。在我的Haydale公司，工作重點是堆疊5-100層石墨烯。該范圍以下的材料通常被稱為少層石墨烯（FLG），而較多層的材料被稱為石墨烯納米片（GNP）。將這些材料添加到樹脂或其它熱塑性材料中時，所得到的混合物變得高強度，高的導熱性與導電性或兩者兼具。這些增強功能可以在許多領域應用，尤其是在航空航天業。許多關鍵的飛機部件由碳纖維與熱固性樹脂粘合制成。如果該樹脂具有更好的機械性能，則可以減少所需的碳纖維層數量，從而減輕重量并因此降低成本。

我們的實驗表明，對石墨烯性能可以進行實質性的改進：在最近的一項測試中，添加到樹脂中的FLGs的碳纖維復合材料在幾乎所有的機械性能方面都有20％的提高。然而，這不僅僅是把石墨烯添加到樹脂這樣簡單。實現石墨烯良好性能的關鍵在于從正確的材料開始，并了解如何操作特定的程序步驟。

石墨烯的制備

石墨烯可以通過多種方式生產，各個制造商使用略有不同的工藝。常見的是”自上而下“的方法，其中開采的有機石墨被剝離至產生較少層的薄片。達到所需的數量層可能需要多個生產階段，因為大多數有機材料產生厚度的變化。然而，在我們研究的復合油墨，漿料和樹脂等散裝系統中，這不是一個巨大的問題。

除此之外，石墨烯可以以”自下而上“的方式逐層生產，例如使用甲烷氣體或另一碳源的化學氣相沉積。該方法通常需要在能量密集的溫度（900℃或更高）下操作反應器，并且在每批生產后必須清潔反應器。另外，在許多情況下，通過該方法生產的石墨烯片不是單層，而是兩層或三層厚的FLG。然后必須使用昂貴的類似于”撕膠帶“的方法剝離各層。

顯然，通過自上而下的方法生產的石墨烯與其自身性質和制造成本非常不同。然而，由于缺乏行業標準，許多不同的碳納米材料都可以被描述為”石墨烯“。因此，類似標簽產品的價格可以從每公斤50美元到2000美元不等。誘惑公眾用最便宜的一個，但通常這不是最好的選擇。這是因為在納米尺度上生產的每種材料都是不同的 - 薄片的尺寸，厚度的關鍵是結合到其表面和末端的化學品的類型和數量。這些化學基團通常將石墨烯與其它材料結合，并因此影響混合物的性質。例如，具有大量氧基的材料將用作絕緣體而不是導體。薄片的尺寸和形狀也可能影響導熱性，導電性和或變形。

根據我們的經驗，無論什么步驟，混合和分散專有技術對于”功能化“石墨烯（即使其他化學基團與之結合）至關重要。碳是惰性添加劑，不能與其他材料混合，因此為了使其均勻分散，需要對功能化和粒子尺寸和形狀進行詳細的了解-當顆粒為2-5毫米時，需要特殊技能和設備。還值得指出的是，添加納米材料到其他物質確實有一些潛在的缺點；例如，它可以改變樹脂的粘度，這可能影響生產過程中的后續步驟。通常，最終產品的期望性能和在添加納米材料之前存在的其它性質之間將會有一個平衡。

為了增進我們對這些問題的理解，Haydale與Huntsman Advanced Materials合作，使用高端環氧樹脂Araldite進行了為期18個月的研究項目。這項工作給了我們相當豐富的專業知識，如將石墨烯和其他納米材料分散到熱固性樹脂或熱塑性樹脂中所需的混合和加工技術。同樣非常清楚的是，除了單獨添加石墨烯的作用之外，同時添加第二納米材料（如碳納米管或碳化硅）與石墨烯可以對性能產生重大影響。在這個過程，我們稱之為”材料雜交“。這對未來復合材料的商業化以及其他材料如油墨來說，是很有前途的。

石墨烯在航天領域的發展

自2014年以來，Haydale的科學家一直在使用功能化石墨烯來改善航空航天工業中碳纖維復合材料的性能。該項目基于意大利中央火炬計劃（CIRA）規定的要求，由CIRA，Haydale和英國加的夫大學工程學院的一個綜合團隊管理，實施歐洲清潔天氣的資助聯合技術舉措。

與樹脂相比，碳纖維具有非常強的硬度，因此由纖維增強復合材料制成部件的結構特性由纖維而不是樹脂的性質決定。盡管研究顯示，將功能化石墨烯添加到純樹脂中已經使樹脂剛度增加一倍，但預期對宏觀復合材料的影響將更小。我們的研究調查了添加GNP和碳納米管對樹脂的影響，我們觀察到抗沖擊強度增加13％，沖擊性能后壓縮增加50％。這些都是顯著的結果，因為在諸如復合飛機機翼的高性能結構中，耐損傷性和壓縮性質是至關重要的。

除了更堅硬更強的材料外，航空航天工業也在尋求更好的方式來防止雷電對飛機造成的損壞。目前，銅線網內置于飛機身上，以消除雷擊中的電荷，但這種網格對飛機的重量大大增加。如果可以使飛機的實際材料進行導電，將沒有必要使用銅線網，并節省大量的燃料。

保護特性

Haydale的復合部門（Haydale Composite Solutions）的科學家目前正在與Cobham技術服務公司、空中客車公司和BAE系統等工業合作伙伴合作，共同研究使用功能化納米顆粒使飛機部件導電的兩個研究項目。第一個項目，閃電擊打評估的石墨烯復合材料（GraCELS），功能性納米粒子如何影響碳纖維增強環氧樹脂板的導電性。GraCELS實驗已經表明，向環氧樹脂添加納米顆粒大大改善了面板的電導率，并大大增強了其對雷擊傷害的耐受性。特別地，當受到嚴重的雷擊事件時，修改的面板沒有顯示”穿透“損壞的跡象（見上圖）。

第二個通過功能化（GrEAT Fun）被稱為石墨烯增強型粘合劑技術的項目，主要集中在飛機上的碳纖維板之間的聯結，而不是面板本身。使用常規技術制造的粘合劑通常是電絕緣體，解決使飛機結構進行導電問題。以前的研究已經嘗試通過向粘合材料中添加金屬微粒或碳納米管來改善結構粘合劑粘合的導電性，但是這些努力在生產牢固且可靠以及導電的粘合中成功地取得了有限的成果。

相比之下，GrEAT Fun項目將使用專利技術來實現GNP的功能化，從而顯著提高粘結劑的導電性，并提高粘結層的強度。該功能化石墨烯可以粘合到熱固性基質樹脂中。不可避免的是機械加工性能與改性樹脂的容易性之間存在折衷；該項目的目標之一是建立石墨烯負載水平，從而最大限度地提高膠粘劑的整體性能。

航空航天工業很可能是在GrEAT Fun項目期間開發粘合劑的早期采用者，但其他領域也可能受益。例如，結構粘合劑樹脂體系電導率的改善可以提高大型離岸風力渦輪機的性能，而在石油和天然氣工業中，導電樹脂可使其更易消除靜電并防止其損壞管道。從耐損傷的淋浴盤到更強強度更高的運動器材，對于功能化石墨烯的結構特性有無數潛在的應用。由于行業的規范性質，運輸行業也可能受益，但時間框架會更長。石墨烯的商業應用可能比預期花費更長的時間，但這些最新的發展可能最終可以讓我們利用超級材料的驚人性能。

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責任編輯：殷鵬飛

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