Liz Nickels目前的研究著眼于使用“奇跡材料”石墨烯以改進纖維增強塑料。

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(fā)現(xiàn)，并在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)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(dǎo)電更好;且據(jù)說有人類已知最高的導(dǎo)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(fā)直徑的百萬分之一。盡管新材料已在各個領(lǐng)域中創(chuàng)新使用，但這并不奇怪——其強度和輕薄的特性，已經(jīng)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(guān)技術(shù)從實驗室推廣到廣泛的各類工業(yè)應(yīng)用當中。目前，核心聯(lián)盟由23個國家的142個學(xué)術(shù)和工業(yè)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(xué)在2014年成立，目的是利用石墨烯開發(fā)更輕、更強、更節(jié)能、更安全的車輛，據(jù)報道“可能徹底改變?nèi)虻钠嚬I(yè)”。

尺寸的穩(wěn)定性

桑德蘭大學(xué)與來自意大利、西班牙和德國的等五個研究機構(gòu)聯(lián)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(chǎn)中所使用的先進復(fù)合材料的作用，特別是關(guān)于強度、尺寸穩(wěn)定性和耐久性。

該項目的提案為Ahmed Elmarakbi教授，他是桑德蘭大學(xué)汽車工程車輛系計算、工程和技術(shù)教授。“石墨烯在汽車工業(yè)有很大的應(yīng)用空間，用它來增強汽車用復(fù)合材料將具有巨大潛力?！彼f，“目前全球汽車行業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，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(fù)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(wěn)定性、更好的熱力學(xué)性能和阻燃性能(活性阻燃劑和減少燃燒煙霧)，以及優(yōu)異的耐久性。Elmarakbi 教授補充說：“這個項目面臨著挑戰(zhàn);其問題不僅是生產(chǎn)以石墨烯為基礎(chǔ)的產(chǎn)品，而且包括把它們應(yīng)用于一個大型的汽車上?！?。

復(fù)合材料飛機

最近，在2016年1月，馬斯達爾科學(xué)技術(shù)學(xué)院(Masdar Institute)和英國曼徹斯特大學(xué)推出了一項合作研究計劃，內(nèi)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(xué)技術(shù)學(xué)院和英國曼徹斯特大學(xué)推出了一個研究計劃，內(nèi)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(chǔ)的納米復(fù)合材料泡沫的工程應(yīng)用，包括能源領(lǐng)域。該計劃還將審視一下基于石墨烯的復(fù)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(xué)認為，主要部件基于石墨烯的復(fù)合材料可能很快被用于建筑、運輸或航空航天等行業(yè)中。石墨烯復(fù)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(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力，我們很高興能與馬斯達爾科學(xué)技術(shù)研究院在這些重要的領(lǐng)域展開研究合作。”曼徹斯特大學(xué)石墨烯業(yè)務(wù)總監(jiān)James Baker說，“曼徹斯特大學(xué)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。”

耐沖擊性

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

最近，HCS與SHD復(fù)合材料有限公司合作，采用亨斯邁先進材料環(huán)氧樹脂推出了三個新的石墨烯增強碳纖維預(yù)浸料。這些產(chǎn)品包括結(jié)構(gòu)成分碳纖維預(yù)浸料;能夠用于高壓釜加工處理的復(fù)合部件生產(chǎn)的原型低壓固化碳纖維模具預(yù)浸料，以及更高工作溫度、用于精確加工的預(yù)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(huán)氧樹脂部件的抗沖擊性能和壓縮性能。這可以使設(shè)計人員開發(fā)出更輕、更高效的碳纖維增強環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)，其中抗沖擊是設(shè)計考慮的主要因素。這個新的預(yù)浸料的應(yīng)用領(lǐng)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(jù)Haydale的報告，更高工作溫度的預(yù)浸料，也有助于生成具有更高熱傳導(dǎo)性的工具系統(tǒng)，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(xiàn)有的預(yù)浸料。

目前新的石墨烯增強預(yù)浸料正在進行評估中，對原型產(chǎn)品感興趣的公司可將其應(yīng)用在特定的領(lǐng)域。

“它具有真正改變復(fù)合材料行業(yè)游戲規(guī)則的潛力。”HCS的商業(yè)總監(jiān)Nigel Finney 說，“我們對石墨烯增強碳纖維環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的結(jié)構(gòu)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(fā)出新一代的碳纖維環(huán)氧預(yù)浸材料。我們相信，我們已經(jīng)處在基于石墨烯聚合物納米復(fù)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(fù)合材料市場最感興趣并一直在尋找的增強性能?！?/span>

化學(xué)性能

該公司還與多家領(lǐng)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(chǎn)Mono超級跑車的BAC(Briggs Automotive Company)汽車公司，從而開發(fā)復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。公司董事總經(jīng)理Gerry Boyce表示，根據(jù)不同的應(yīng)用，石墨烯可以與玻璃或碳進行混合?！耙坏┪覀儗⑹┘尤氲綐渲覀兛梢悦枋龀鲈鰪姌渲瑢⑦_到怎樣的性能，因為我們是復(fù)合工程師，我們理解一個新的石墨烯增強樹脂會對整個復(fù)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(fù)合工作師而言其差異已足夠巨大了?！?/span>

例如，公司已經(jīng)看到?jīng)_擊之后的壓縮強度增加了50%，這是一個飛機結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計標準。這意味著能夠利用石墨來增強結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)更薄、更輕、更低成本結(jié)構(gòu)。

Haydale正在進行的課題之一，是解決雷擊(圖3)問題?！霸谶@項應(yīng)用中，通過采用我們的石墨烯復(fù)合材料，我們希望使機身材料實現(xiàn)更多的導(dǎo)電性能，避免銅網(wǎng)的使用?！?/span>Gerry解釋說：“通過開發(fā)更多的導(dǎo)電樹脂，我們也許可以對構(gòu)成飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一些材料做些調(diào)整，如電腦外殼和艙內(nèi)結(jié)構(gòu)，那些不像主要結(jié)構(gòu)那樣需要大量測試的部位。。”

公司已經(jīng)設(shè)計了一個系統(tǒng)，由此石墨烯粉末混入樹脂從而創(chuàng)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(jù)所需機械性能的適當?shù)臐舛取！?/span>

目前，公司主要集中在環(huán)氧樹脂上?！叭欢?，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(huán)氧樹脂。”他指出。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”。

除了耐沖擊性，石墨烯還可以增加平面內(nèi)剪切，Gerry說?！暗珜ξ覀兌裕信d趣的主要領(lǐng)域是提高電力和熱學(xué)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(dǎo)熱系數(shù)的六倍，應(yīng)用在那些需要熱量快速進出的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電性，那么你可以將其應(yīng)用到有趣的結(jié)構(gòu)市場中，如計算機外殼、防護罩等?！?/span>

該公司關(guān)注的其它特性包括改進樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)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?yōu)楣腆w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(shù)，使其更接近玻璃或碳的膨脹系數(shù)，那么在加熱和冷卻過程中，材料的應(yīng)力就會減小?！?/span>Gerry表示。

大量需求

總部設(shè)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(chǎn)商。Angstron原材料的生產(chǎn)能力，使其能夠滿足眾多復(fù)合應(yīng)用的大量需求，并能提供規(guī)模經(jīng)濟的石墨烯材料。事實上，公司創(chuàng)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(chǎn)純凈石墨烯的人。公司商業(yè)開發(fā)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(fù)合材料的填充物。

“在Angstron，我們有復(fù)雜的專業(yè)知識和設(shè)施允許我們制定、鑒定，并生產(chǎn)各種各樣的石墨烯增強復(fù)合材料。”他說，“有了石墨烯生產(chǎn)技術(shù)訣竅，再加上混合和應(yīng)用經(jīng)驗，使得Angstron在許多行業(yè)領(lǐng)域，能夠充分利用石墨烯的顯著特性，實現(xiàn)一定的規(guī)模生產(chǎn)和價位優(yōu)勢?！?/span>

石墨烯可以作為納米復(fù)合材料中的多功能填料。通過調(diào)整所使用石墨烯的種類、濃度、加工條件及其他協(xié)同填料的摻入，能夠有選擇性地實現(xiàn)用戶希望在最終納米復(fù)合材料中所強調(diào)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(fù)合材料的各種性能特點，如電和/或熱導(dǎo)率、機械增強、阻隔性能、透明度等等。他強調(diào)說：“石墨烯是一種低密度填料，可以有效地實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化的要求?！?/span>

據(jù)報告有幾種方法，可以在聚合物中復(fù)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(shù)，以及最終性能，你即所實現(xiàn)的目標?！?/span>Ian補充說：“熱塑性納米復(fù)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(shù)分散到熱固性塑料中。” Ian認為，要在復(fù)合材料中實現(xiàn)所需的載荷水平和均勻性，實現(xiàn)石墨烯材料的全面性能改進是關(guān)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(xié)同作用，并被納入。

Ian解釋說，石墨烯納米復(fù)合材料的可在使用傳統(tǒng)聚合材料的幾乎所有應(yīng)用中使用?！霸谝恍┣闆r下，石墨烯可以作為其他填充系統(tǒng)的替代材料，并提供額外的增強性能?！彼硎?，“我們正在與我們的合作伙伴和客戶合作，開發(fā)石墨烯納米復(fù)合材料更多的應(yīng)用領(lǐng)域，包括添加劑制造、生物醫(yī)學(xué)、電子、汽車、航空航天、消費品等等?！?/span>