提示有機硅論壇啟用新號

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　　核心提示

　　石墨烯是由碳原子單層制成的材料，由安德烈? 海姆（Andrew Geim）和康斯坦丁? 諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）兩位教授首先通過實驗發現，并在2010年獲得諾貝爾物理學獎。對于很多人來說，這真的是一個奇跡材料——它比鋼要堅韌200倍；比銅導電更好；且據說有人類已知最高的導熱率。石墨烯最令人興奮的一個特性是極其的薄——只有一個原子厚的石墨烯是人類頭發直徑的百萬分之一。盡管新材料已在各個領域中創新使用，但這并不奇怪——其強度和輕薄的特性，已經令研究人員找出方法來提高纖維的性能，尤其是碳纖維增強塑料。

　　2013年，歐盟委員會（EC）投資10億歐元，啟動“石墨烯旗艦計劃”新項目，提出了未來10年石墨烯的宏圖，旨在把石墨烯及相關技術從實驗室推廣到廣泛的各類工業應用當中。目前，核心聯盟由23個國家的142個學術和工業研究團隊組成。

　　一個尋求歐盟資助的項目，由英國桑德蘭大學在2014年成立，目的是利用石墨烯開發更輕、更強、更節能、更安全的車輛，據報道“可能徹底改變全球的汽車工業”。

　　尺寸的穩定性

　　桑德蘭大學與來自意大利、西班牙和德國的等五個研究機構聯盟合作，共同成為iGCAuto項目的合作伙伴。該項目集中于分析新的基于石墨烯的聚合物材料的屬性，以確定它在用于改善汽車生產中所使用的先進復合材料的作用，特別是關于強度、尺寸穩定性和耐久性。

　　該項目的提案為Ahmed Elmarakbi教授，他是桑德蘭大學汽車工程車輛系計算、工程和技術教授。“石墨烯在汽車工業有很大的應用空間，用它來增強汽車用復合材料將具有巨大潛力。”他說，“目前全球汽車行業面臨著巨大的挑戰，比如二氧化碳排放和安全問題。”

　　該項目將探討使用基于石墨烯的材料在不同的聚合物基納米復合材料的制備。這種材料將提供諸多好處，例如更強大的強度、尺寸穩定性、更好的熱力學性能和阻燃性能（活性阻燃劑和減少燃燒煙霧），以及優異的耐久性。Elmarakbi 教授補充說：“這個項目面臨著挑戰；其問題不僅是生產以石墨烯為基礎的產品，而且包括把它們應用于一個大型的汽車上。”

　　復合材料飛機

　　最近，在2016年1月，馬斯達爾科學技術學院（Masdar Institute）和英國曼徹斯特大學推出了一項合作研究計劃，內容以包括了石墨烯和二維材料為特色。

圖1：2016 年1 月，馬斯達爾科學技術學院和英國曼徹斯特大學推出了一個研究計劃，內容 以涵蓋石墨烯和二維材料項目為特色。

　　中一個項目將涵蓋低密度以石墨烯為基礎的納米復合材料泡沫的工程應用，包括能源領域。該計劃還將審視一下基于石墨烯的復合飛機機翼可以多大幅度減少重量，減少雷擊損壞的不利影響，及提高燃料的效率和范圍。曼徹斯特大學認為，主要部件基于石墨烯的復合材料可能很快被用于建筑、運輸或航空航天等行業中。石墨烯復合材料和涂料也可以提高滑雪、自行車等的運動裝備，甚至在不久的將來用于一級方程式賽車。

　　“石墨烯具有大范圍領域應用的巨大潛力，我們很高興能與馬斯達爾科學技術研究院在這些重要的領域展開研究合作。”曼徹斯特大學石墨烯業務總監James Baker說，“曼徹斯特大學有235多名研究人員致力于石墨烯的二維材料的研究，通過與馬斯達爾的合作將有許多機會進行進一步的研究?！?/p>

　　耐沖擊性

　　部位于英國的石墨烯和納米材料制造商Haydale Composite Solutions（HCS）已經利用石墨烯來提高碳纖維復合材料的性能。

圖2：Haydale 與一些最終用戶合作，包括出產Mono 超級跑車的BAC 汽車公司。

　　最近，HCS與SHD復合材料有限公司合作，采用亨斯邁先進材料環氧樹脂推出了三個新的石墨烯增強碳纖維預浸料。這些產品包括結構成分碳纖維預浸料；能夠用于高壓釜加工處理的復合部件生產的原型低壓固化碳纖維模具預浸料，以及更高工作溫度、用于精確加工的預浸料。

　　該公司希望加入石墨烯納米材料后，能夠增加碳纖維增強環氧樹脂部件的抗沖擊性能和壓縮性能。這可以使設計人員開發出更輕、更高效的碳纖維增強環氧樹脂結構，其中抗沖擊是設計考慮的主要因素。這個新的預浸料的應用領域包括航空航天、汽車和體育用品，如自行車框架、釣魚竿和賽艇。

　　根據Haydale的報告，更高工作溫度的預浸料，也有助于生成具有更高熱傳導性的工具系統，減少回彈、提高精度，并改善表面光潔度與硬度，具有更好的耐沖擊性，增加微裂紋的抵抗力，從而超越了現有的預浸料。

　　目前新的石墨烯增強預浸料正在進行評估中，對原型產品感興趣的公司可將其應用在特定的領域。

　　“它具有真正改變復合材料行業游戲規則的潛力?！盚CS的商業總監Nigel Finney 說，“我們對石墨烯增強碳纖維環氧樹脂預浸料的結構熱性能和機械性能的顯著改善感到非常興奮，并期待著進一步開發出新一代的碳纖維環氧預浸材料。我們相信，我們已經處在基于石墨烯聚合物納米復合材料的一個全新系列的邊緣，它們有著令人激動和獨特的性能。我們認為這是復合材料市場最感興趣并一直在尋找的增強性能。”

　　化學性能

　　該公司還與多家領先的樹脂公司以及一些最終用戶進行合作， 包括Alex Thomson帆船比賽、60英尺碳纖維增強HUGO BOSS賽艇的制造者和出產Mono超級跑車的BAC（Briggs Automotive Company）汽車公司，從而開發復合材料的應用領域。公司董事總經理Gerry Boyce表示，根據不同的應用，石墨烯可以與玻璃或碳進行混合?！耙坏┪覀儗⑹┘尤氲綐渲?，我們可以描述出增強樹脂將達到怎樣的性能，因為我們是復合工程師，我們理解一個新的石墨烯增強樹脂會對整個復合材料的影響?！彼麑Α对鰪娝芰稀繁硎荆骸耙坏┠惆咽┨砑拥教祭w維中，我們可以看到樹脂的機械性能有了相當大的增加，盡管這些增加并不是那么明顯。但是，對復合工作師而言其差異已足夠巨大了?！?/p>

圖3：Haydale 正在進行的課題之一是解決雷擊問題。

　　例如，公司已經看到沖擊之后的壓縮強度增加了50%，這是一個飛機結構的主要設計標準。這意味著能夠利用石墨來增強結構，實現更薄、更輕、更低成本結構。

　　Haydale正在進行的課題之一，是解決雷擊（圖3）問題?！霸谶@項應用中，通過采用我們的石墨烯復合材料，我們希望使機身材料實現更多的導電性能，避免銅網的使用?！盙erry解釋說：“通過開發更多的導電樹脂，我們也許可以對構成飛機內部結構的一些材料做些調整，如電腦外殼和艙內結構，那些不像主要結構那樣需要大量測試的部位。?！?/p>

　　公司已經設計了一個系統，由此石墨烯粉末混入樹脂從而創建一個母料。這令加載材料到了非常高的濃度，例如按重量計25%，從而使之幾乎像糊狀或糖漿。Gerry說：“隨后可以稀釋到根據所需機械性能的適當的濃度?！?/p>

　　目前，公司主要集中在環氧樹脂上。“然而，毋庸諱言，我們正在不斷接近那些想要使用聚氨酯和聚酯的公司，但目前我們主要專注于環氧樹脂?！彼赋?。石墨烯和樹脂的混合，可以使用三輥軋機或剪切混合機，如槳式面板攪拌機。第三種方法是使用離心機進行“快速混合”。

　　導熱系數

　　除了耐沖擊性，石墨烯還可以增加平面內剪切，Gerry說?！暗珜ξ覀兌?，感興趣的主要領域是提高電力和熱學特性，但不損害其他特性，如機械性能?！彼a充道，“所以，我們的目標是獲得脂樹導熱系數的六倍，應用在那些需要熱量快速進出的結構中。并與電一樣：如果你可以增加材料的電磁干擾（EMI）、電磁兼容（EMC）和抗靜電及導電性，那么你可以將其應用到有趣的結構市場中，如計算機外殼、防護罩等。”

　　圖4：aydale 公司通過其HDPlas 離子工藝進行石墨稀表面的功能化。

　　該公司關注的其它特性包括改進樹脂的玻璃化轉變溫度，以便材料能夠在稍稍偏高的溫度也可以理想地操作，同時公司將能夠控制樹脂的收縮，通過其從液體變為固體時減少材料容積的變化量?！叭绻覀兛梢酝ㄟ^添加石墨烯來減少樹就脂的膨脹系數，使其更接近玻璃或碳的膨脹系數，那么在加熱和冷卻過程中，材料的應力就會減小?！盙erry表示。

　　大量需求

　　總部設在美國俄亥俄州Dayton的Angstron公司，是世界上最大的石墨烯納米材料生產商。Angstron原材料的生產能力，使其能夠滿足眾多復合應用的大量需求，并能提供規模經濟的石墨烯材料。事實上，公司創始人之一的Bor Jang博士，是早在2002年就申請了世界上第一個專利生產純凈石墨烯的人。公司商業開發和工程副總裁Ian Fuller向《增強塑料》談到，該公司使用石墨烯作為納米復合材料的填充物。

　　“在Angstron，我們有復雜的專業知識和設施允許我們制定、鑒定，并生產各種各樣的石墨烯增強復合材料?！彼f，“有了石墨烯生產技術訣竅，再加上混合和應用經驗，使得Angstron在許多行業領域，能夠充分利用石墨烯的顯著特性，實現一定的規模生產和價位優勢?！?/p>

　　石墨烯可以作為納米復合材料中的多功能填料。通過調整所使用石墨烯的種類、濃度、加工條件及其他協同填料的摻入，能夠有選擇性地實現用戶希望在最終納米復合材料中所強調的屬性。Ian表示。石墨烯具有獨特的屬性，你可以利用石墨烯納米復合材料的各種性能特點，如電和/或熱導率、機械增強、阻隔性能、透明度等等。他強調說：“石墨烯是一種低密度填料，可以有效地實現系統輕量化的要求?！?/p>

　　據報告有幾種方法，可以在聚合物中復合石墨烯?！袄硐氲募庸し椒ㄊ侨Q于你正在使用石墨烯的類型、聚合物的標準加工參數，以及最終性能，你即所實現的目標?！盜an補充說：“熱塑性納米復合材料的通常是熔融混合或原位聚合的，而石墨烯可通過幾種技術分散到熱固性塑料中。” Ian認為，要在復合材料中實現所需的載荷水平和均勻性，實現石墨烯材料的全面性能改進是關鍵。石墨烯加載到母料的配方在很大程度上取決于最終用途。在某些情況下，石墨烯是唯一添加到聚合物中的填料。在其他情況下，其他填料可以提供協同作用，并被納入。

　　Ian解釋說，石墨烯納米復合材料的可在使用傳統聚合材料的幾乎所有應用中使用。“在一些情況下，石墨烯可以作為其他填充系統的替代材料，并提供額外的增強性能?！彼硎荆拔覀冋谂c我們的合作伙伴和客戶合作，開發石墨烯納米復合材料更多的應用領域，包括添加劑制造、生物醫學、電子、汽車、航空航天、消費品等等?！?/p>

　　來源：榮格塑料工業