“超级材料”:石墨烯的商业化

必发365登录入口2017年8月23日讯  石墨烯是一种神奇的材料,它具备颠覆当前所有电子设备的潜质,是“材料的未来和电子行业的救命稻草”。报道称,石墨烯是目前已知的硬度最高、最薄的材料。它由碳原子以特殊结构排列而成,比其他任何材料都具备更好的导热、导电特性。更令人称奇的是,它不仅是世界上最硬的材料,而且柔韧性也最强。厚度只有一层碳原子的石墨烯被称为“奇迹材料”。

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“超级材料”:石墨烯的商业化

从实验室中提取石墨烯已被证明是具有挑战性的,但Ray Gibbs解释说:“材料加工方面的改进已经开始有所回报,特别是在航天领域。

石墨烯具有许多惊人的性能,例如高强度与刚度,高导电性与气体不渗透性等。这些引人注目的产品已经产生了大量的炒作,几乎每天都会公布潜在的新应用。然而,随着石墨烯研究的进展,将实验室测量的性能转化为商业应用的任务挑战已经被证明远超预期。特别是,生产一致的单层石墨烯(许多潜在电子应用的起点)技术难度大,在商业规模上价格昂贵。

幸运的是,其他类型的石墨烯在其他行业中已被证明有价值。在我的Haydale公司,工作重点是堆叠5-100层石墨烯。该范围以下的材料通常被称为少层石墨烯(FLG),而较多层的材料被称为石墨烯纳米片(GNP)。将这些材料添加到树脂或其它热塑性材料中时,所得到的混合物变得高强度,高的导热性与导电性或两者兼具。这些增强功能可以在许多领域应用,尤其是在航空航天业。许多关键的飞机部件由碳纤维与热固性树脂粘合制成。如果该树脂具有更好的机械性能,则可以减少所需的碳纤维层数量,从而减轻重量并因此降低成本。

我们的实验表明,对石墨烯性能可以进行实质性的改进:在最近的一项测试中,添加到树脂中的FLGs的碳纤维复合材料在几乎所有的机械性能方面都有20%的提高。然而,这不仅仅是把石墨烯添加到树脂这样简单。实现石墨烯良好性能的关键在于从正确的材料开始,并了解如何操作特定的程序步骤。

石墨烯的制备

石墨烯可以通过多种方式生产,各个制造商使用略有不同的工艺。常见的是“自上而下”的方法,其中开采的有机石墨被剥离至产生较少层的薄片。达到所需的数量层可能需要多个生产阶段,因为大多数有机材料产生厚度的变化。然而,在我们研究的复合油墨,浆料和树脂等散装系统中,这不是一个巨大的问题。

除此之外,石墨烯可以以“自下而上”的方式逐层生产,例如使用甲烷气体或另一碳源的化学气相沉积。该方法通常需要在能量密集的温度(900℃或更高)下操作反应器,并且在每批生产后必须清洁反应器。另外,在许多情况下,通过该方法生产的石墨烯片不是单层,而是两层或三层厚的FLG。然后必须使用昂贵的类似于“撕胶带”的方法剥离各层。

显然,通过自上而下的方法生产的石墨烯与其自身性质和制造成本非常不同。然而,由于缺乏行业标准,许多不同的碳纳米材料都可以被描述为“石墨烯”。因此,类似标签产品的价格可以从每公斤50美元到2000美元不等。诱惑公众用最便宜的一个,但通常这不是最好的选择。这是因为在纳米尺度上生产的每种材料都是不同的 - 薄片的尺寸,厚度的关键是结合到其表面和末端的化学品的类型和数量。这些化学基团通常将石墨烯与其它材料结合,并因此影响混合物的性质。例如,具有大量氧基的材料将用作绝缘体而不是导体。薄片的尺寸和形状也可能影响导热性,导电性和或变形。

根据我们的经验,无论什么步骤,混合和分散专有技术对于“功能化”石墨烯(即使其他化学基团与之结合)至关重要。碳是惰性添加剂,不能与其他材料混合,因此为了使其均匀分散,需要对功能化和粒子尺寸和形状进行详细的了解-当颗粒为2-5毫米时,需要特殊技能和设备。还值得指出的是,添加纳米材料到其他物质确实有一些潜在的缺点;例如,它可以改变树脂的粘度,这可能影响生产过程中的后续步骤。通常,最终产品的期望性能和在添加纳米材料之前存在的其它性质之间将会有一个平衡。

为了增进我们对这些问题的理解,Haydale与Huntsman Advanced Materials合作,使用高端环氧树脂Araldite进行了为期18个月的研究项目。这项工作给了我们相当丰富的专业知识,如将石墨烯和其他纳米材料分散到热固性树脂或热塑性树脂中所需的混合和加工技术。同样非常清楚的是,除了单独添加石墨烯的作用之外,同时添加第二纳米材料(如碳纳米管或碳化硅)与石墨烯可以对性能产生重大影响。在这个过程,我们称之为“材料杂交”。这对未来复合材料的商业化以及其他材料如油墨来说,是很有前途的。

石墨烯在航天领域的发展

自2014年以来,Haydale的科学家一直在使用功能化石墨烯来改善航空航天工业中碳纤维复合材料的性能。该项目基于意大利中央火炬计划(CIRA)规定的要求,由CIRA,Haydale和英国加的夫大学工程学院的一个综合团队管理,实施欧洲清洁天气的资助联合技术举措。

与树脂相比,碳纤维具有非常强的硬度,因此由纤维增强复合材料制成部件的结构特性由纤维而不是树脂的性质决定。尽管研究显示,将功能化石墨烯添加到纯树脂中已经使树脂刚度增加一倍,但预期对宏观复合材料的影响将更小。我们的研究调查了添加GNP和碳纳米管对树脂的影响,我们观察到抗冲击强度增加13%,冲击性能后压缩增加50%。这些都是显著的结果,因为在诸如复合飞机机翼的高性能结构中,耐损伤性和压缩性质是至关重要的。

除了更坚硬更强的材料外,航空航天工业也在寻求更好的方式来防止雷电对飞机造成的损坏。目前,铜线网内置于飞机身上,以消除雷击中的电荷,但这种网格对飞机的重量大大增加。如果可以使飞机的实际材料进行导电,将没有必要使用铜线网,并节省大量的燃料。

保护特性

Haydale的复合部门(Haydale Composite Solutions)的科学家目前正在与Cobham技术服务公司、空中客车公司和BAE系统等工业合作伙伴合作,共同研究使用功能化纳米颗粒使飞机部件导电的两个研究项目。第一个项目,闪电击打评估的石墨烯复合材料(GraCELS),功能性纳米粒子如何影响碳纤维增强环氧树脂板的导电性。GraCELS实验已经表明,向环氧树脂添加纳米颗粒大大改善了面板的电导率,并大大增强了其对雷击伤害的耐受性。特别地,当受到严重的雷击事件时,修改的面板没有显示“穿透”损坏的迹象(见上图)。

第二个通过功能化(GrEAT Fun)被称为石墨烯增强型粘合剂技术的项目,主要集中在飞机上的碳纤维板之间的联结,而不是面板本身。使用常规技术制造的粘合剂通常是电绝缘体,解决使飞机结构进行导电问题。以前的研究已经尝试通过向粘合材料中添加金属微粒或碳纳米管来改善结构粘合剂粘合的导电性,但是这些努力在生产牢固且可靠以及导电的粘合中成功地取得了有限的成果。

相比之下,GrEAT Fun项目将使用专利技术来实现GNP的功能化,从而显著提高粘结剂的导电性,并提高粘结层的强度。该功能化石墨烯可以粘合到热固性基质树脂中。不可避免的是机械加工性能与改性树脂的容易性之间存在折衷;该项目的目标之一是建立石墨烯负载水平,从而最大限度地提高胶粘剂的整体性能。

航空航天工业很可能是在GrEAT Fun项目期间开发粘合剂的早期采用者,但其他领域也可能受益。例如,结构粘合剂树脂体系电导率的改善可以提高大型离岸风力涡轮机的性能,而在石油和天然气工业中,导电树脂可使其更易消除静电并防止其损坏管道。从耐损伤的淋浴盘到更强强度更高的运动器材,对于功能化石墨烯的结构特性有无数潜在的应用。由于行业的规范性质,运输行业也可能受益,但时间框架会更长。石墨烯的商业应用可能比预期花费更长的时间,但这些最新的发展可能最终可以让我们利用超级材料的惊人性能。

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