石墨烯在不到20 年前首次被生產(chǎn)出來，是目前已知的最薄的材料。就商業(yè)目的而言，讓一種新材料得到廣泛接受可能是一個(gè)緩慢的過程。但石墨烯的情況并非如此，它似乎正快速進(jìn)入復(fù)合材料行業(yè)。

　　石墨烯的強(qiáng)度是鋼的100 到300 倍，是迄今為止測(cè)量過的最強(qiáng)材料。當(dāng)加入到玻璃鋼復(fù)合材料中時(shí)，極少量的石墨烯就能使其性能發(fā)生重大變化。

　　美國石墨烯理事會(huì)表示：“我們進(jìn)行了比較研究，石墨烯的負(fù)載系數(shù)從0.9% 到0.5% 到.01%，這仍然使復(fù)合材料的機(jī)械性能提高了35% 到 45%。”該理事會(huì)是鼓勵(lì)將石墨烯用于商業(yè)應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)。

　　汽車應(yīng)用

　　石墨烯生產(chǎn)商一直在與制造商密切合作，將納米材料納入到復(fù)合材料中。一些高端產(chǎn)品的制造商在他們的混合物中加入了石墨烯，但石墨烯行業(yè)正在努力擴(kuò)大使用范圍。

　　總部位于英國格洛斯特郡的 Versarien PLC 在過去兩年中大幅增加了石墨烯粉末產(chǎn)品的產(chǎn)量，包括其旗艦產(chǎn)品Nanne™ , 希望將石墨烯市場(chǎng)擴(kuò)展到更大容量、更低價(jià)格的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　“五年前，我們每周只生產(chǎn)幾克。我們現(xiàn)在每年生產(chǎn)10 噸。我們有可能在明年再將產(chǎn)量擴(kuò)大10 倍左右。”Versarien公司項(xiàng)目管理主管吉姆• 巴奈特（Jim Barnett）說。

　　汽車行業(yè)是一個(gè)潛在的大批量客戶。在一個(gè)示范項(xiàng)目中，Versarien 的子公司2-DTech 與蓮花汽車、謝菲爾德大學(xué)的先進(jìn)制造和研究中心（AMRC）和幾家復(fù)合材料供應(yīng)鏈公司合作，為蓮花Evija 電動(dòng)跑車生產(chǎn)石墨烯增強(qiáng)碳纖維增強(qiáng)罩。通過確定用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩的預(yù)浸樹脂中石墨烯的最佳含量，該團(tuán)隊(duì)將部件的機(jī)械性能提高了10%，并生產(chǎn)出符合Lotus 公司涂料規(guī)格的表面。

　　石墨烯的多功能特性使其對(duì)各種汽車零件都很有用。石墨烯增強(qiáng)復(fù)合材料可用于汽車的結(jié)構(gòu)面板和內(nèi)部零件，納米材料的高溫?zé)岱纸鉁囟纫部山档突馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

　　Versarien 首席技術(shù)官史蒂夫• 霍奇（Steve Hodge）表示：“石墨烯具有良好的電氣性能、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和光學(xué)性能。它是一種化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的材料；在達(dá)到非常高的溫度之前不會(huì)降解。我們可以很容易地修改表面的化學(xué)成分，使其更適合某些樹脂體系，實(shí)際上，它就像一個(gè)工具箱，使我們能夠修改和增強(qiáng)任何復(fù)合材料。”

　　一旦汽車公司和復(fù)合材料制造商確信石墨烯生產(chǎn)商能夠提供所需數(shù)量和一致性能水平的納米材料，他們將更有可能將石墨烯納入汽車零部件。

　　石墨烯增強(qiáng)SMC

　　2021，石墨烯生產(chǎn)商N(yùn)anoXplore 在蒙特利爾開設(shè)了一家全自動(dòng)生產(chǎn)工廠，該工廠使用液體剝離工藝生產(chǎn)兩種等級(jí)的石墨烯粉末。該公司還經(jīng)營一家復(fù)合材料業(yè)務(wù)部門，主要為重型卡車和公共汽車行業(yè)生產(chǎn)成品部件。該公司表示，采用石墨烯增強(qiáng)SMC 外墻板的車輛應(yīng)在未來幾個(gè)月內(nèi)投入商業(yè)運(yùn)營。

　　該公司正與一家工業(yè)合作伙伴合作，生產(chǎn)一種專有的石墨烯增強(qiáng)SMC 化合物，用于制造復(fù)合零件，并以 NanoXplore 商標(biāo)為品牌銷售給其他模具制造商。

　　NanoXplore 在SMC 中保持與之前相同的纖維負(fù)載水平，并添加石墨烯以進(jìn)一步提高機(jī)械性能。這使得汽車供應(yīng)商能夠生產(chǎn)更輕、更薄的零件，而不會(huì)降低其強(qiáng)度。

　　該公司表示：“原始設(shè)備制造商可以使用更少的SMC 材料，在成本中性的情況下生產(chǎn)同等性能的零部件。”石墨烯的加入還促進(jìn)了材料在模具內(nèi)的更好的流動(dòng)性，使其能夠創(chuàng)造更復(fù)雜的幾何形狀，并提供了美觀的表面光潔度和更好的耐候性性能。

　　了解將石墨烯分散到SMC 中的最佳方法是獲得預(yù)期結(jié)果的關(guān)鍵。“有多種方法將粉末分散到樹脂系統(tǒng)中，這是眾所周知的。棘手的部分是找出過程參數(shù)：步驟是什么？你把它放在哪里？加工多長(zhǎng)時(shí)間？這是獨(dú)特的工藝細(xì)節(jié)。” 該公司表示。

　　添加劑的功能化

　　MITO Materials 不生產(chǎn)石墨烯。相反，公司將其功能化或增強(qiáng)。功能化包括向石墨烯中添加其他元素，以提高其溶解度、增強(qiáng)其強(qiáng)度或改善其與基質(zhì)材料的結(jié)合。

　　MITO 最初使用環(huán)氧多面體倍半硅氧烷（POSS®）對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行功能化，以生產(chǎn)其E-GO 產(chǎn)品。

　　海莉• 基思（Hailey Keith）與丈夫凱文（Kevin）共同創(chuàng)建了該公司，她說：“我們給石墨烯一個(gè)化學(xué)浴，并使用石墨烯氧化物上的點(diǎn)來連接 POSS，然后過濾并干燥。POSS 的使用有助于確保石墨烯在聚合物系統(tǒng)中的良好分散，并有助于賦予材料的強(qiáng)度、能量分散性、韌性和耐久性。”

　　在聚合物質(zhì)量濃度僅為0.1% 的情況下，功能化石墨烯可以將熱固性和熱塑性復(fù)合材料的性能提高20% 到 135%。根據(jù)該公司的說法，通過功能化石墨烯，制造商可能能夠獲得一種更便宜的樹脂，其性能與更昂貴的樹脂一樣好，甚至更好。

　　一家體育用品制造商已經(jīng)開始銷售含有MITO E-GO 石墨烯的滑雪板。 Folsom定制滑雪板進(jìn)行了六個(gè)月的實(shí)地測(cè)試，制作了三副滑雪板，每塊滑雪板含10克E-GO，濃度約為1%。他們發(fā)現(xiàn)，不僅增加了35%的彎曲強(qiáng)度，而且還將滑雪板的阻尼性能提高了100%。添加石墨烯也將滑雪板重量減輕了20%。 MITO目前正在與一家大型的國家半掛車制造商合作，該制造商正在從鋼和復(fù)合掛車的組合過渡到纖維增強(qiáng)復(fù)合掛車。 Kevin解釋說：“僅通過更換全復(fù)合材料的地板和側(cè)壁，他們就可以減輕拖車 35%的原始重量。”酯類的問題是，它們沒有金屬一樣的磨損性能;甚至他們的樹脂供應(yīng)商的定制配方也達(dá)不到規(guī)格。

　　制造商目前正在測(cè)試用功能化石墨烯制成的FRP 構(gòu)件。到目前為止，試驗(yàn)結(jié)果很有希望，制造商可能最終能夠過渡到全復(fù)合材料的拖車。

　　假設(shè)只有一半的美國車隊(duì)采用這種重量明顯更輕的拖車，載重量相同，每年將節(jié)省120 億美元的燃料，減少進(jìn)入大氣的5700 萬噸二氧化碳。

　　優(yōu)化應(yīng)用程序

　　計(jì)算復(fù)合材料中適當(dāng)數(shù)量的石墨烯是一種平衡行為。雖然一定比例的石墨烯可能為復(fù)合材料提供最佳的機(jī)械性能，但如果客戶也希望利用其電氣性能，則可能需要更高的比例。

　　Versarien 開發(fā)了一個(gè)關(guān)于石墨烯如何與各種聚合物作用的大型數(shù)據(jù)庫，可以幫助客戶確定納米材料在其應(yīng)用中的作用程度。該公司表示：“我們必須與客戶密切合作，以找到解決方案，而且我們經(jīng)常必須做出妥協(xié)。你必須逐個(gè)優(yōu)化每個(gè)系統(tǒng)。”

　　MITO 開發(fā)了類似的參考材料。 Keith 說：“我們發(fā)現(xiàn)石墨烯缺少的是通向復(fù)合材料的橋梁。客戶需要了解石墨烯如何與不同的主體材料相互作用和集成，他們可以期待什么性質(zhì)和挑戰(zhàn)，或者他們可以在這些不同的聚合物中解決什么問題。”

　　跨行業(yè)應(yīng)用

　　石墨烯不是一種神奇的添加劑；將其添加到復(fù)合材料中不會(huì)自動(dòng)解決制造商在特定復(fù)合材料組件上遇到的所有問題。但隨著越來越多的石墨烯材料以不同的價(jià)格點(diǎn)和不同的性能上市，隨著復(fù)合材料制造商及其客戶對(duì)該材料的了解越來越深入，石墨烯很可能成為制造組合中更常見的元素。例如，在飛機(jī)工業(yè)中，石墨烯的高導(dǎo)電性可以使制造商將其用于傳感器。

　　Hodge 說：“如果有一個(gè)電場(chǎng)流過你的結(jié)構(gòu)，而這個(gè)電場(chǎng)由于沖擊損傷或一些內(nèi)部損傷而中斷，石墨烯的導(dǎo)電路徑可以用作結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)傳感器。”Versarien 還與空中客車公司和其他歐洲合作伙伴合作，將石墨烯用作飛機(jī)防冰和除冰應(yīng)用的電熱加熱器。

　　在可持續(xù)性方面，石墨烯可用于提高生物衍生復(fù)合材料的性能。在這些復(fù)合材料中添加少量石墨烯可以改善通常較低的生物材料性能，最終顯著減少碳排放。

　　石墨烯可以被包含在混合物中，為復(fù)合材料部件生產(chǎn)防火涂層，或增強(qiáng)鞋子、魚竿和高爾夫球桿的性能。石墨烯復(fù)合管道比其他材料制成的管道更有效地冷卻，使其成為石油、天然氣和類似行業(yè)的理想選擇。

　　石墨烯還有另一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。無論是熱塑性塑料還是環(huán)氧樹脂體系，石墨烯都可以相對(duì)容易地添加到( 復(fù)合材料制造的) 液相中，而不需要改變工藝或需要額外的資本設(shè)備。

　　Versarien 公司表示：“就像鎳是不銹鋼的標(biāo)準(zhǔn)成分一樣，石墨烯將成為高級(jí)復(fù)合材料應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)成分。”該公司預(yù)計(jì)，到今年年底，一些樹脂公司將提供預(yù)載石墨烯的樹脂系統(tǒng)。

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