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石墨烯材料有望将车辆的塑料部分减重20%

【铝道】回顾过去,石墨烯材料在 2004 年由英国北部曼彻斯特大学的研究人员正式分离出来,目前仍只是一种只有 十几岁 的新材料,但已经开旁通阀始稳步向成熟量产推进.未来十年内,石墨烯材料可能将给设计和制造领域带来巨大改变,包括提升电动汽车和自动驾驶汽车的效率.

我们仅需向某些塑料中添加非常少量的石墨烯,即可显著改变塑料的特性和性能.在汽车行业的宣传中,新技术总是被冠以 革命性 的描述,但这经常是美好的愿望,并非所有人都相信.然而,对于一种新兴材料而言,只要在 革命性 前面加上 可能 二字,这种描述就非常客观了.这就是石墨烯,它 可能 是一种 革命性 汽车技术.回顾过去,石墨烯材料在 2004 年由英国北部曼彻斯特大学的研究人员正式分离出来,目前仍只是一种只有 十几岁 的新材料,但已经开始稳步向成小型电动机熟量产推进.未来十年内,石墨烯材料可能将给设计和制造领域带来巨大改变,包括提升电动汽车和自动驾驶汽车的效率.

Versarien 公司是一支由 Andrew Deakin 博士担任首席技术工程师的先进材料工程团体,致力于将石墨烯材料的应用从理论研究推广至实际生产,让这种新兴材料充分发挥降低重量、强化材料及优化光纤光缆电池的作用. 只要使用得当,我认为石墨烯材料有望将车辆的塑料部分减重20%,这将是革命性的.此外,凭借卓越的导电性能,石墨烯材料还有望优化电池性能,进而显著延长电池的使用寿命.

作为一种同素异形体,石墨烯是一种石墨(通常用于铅笔和干式润滑剂)衍生物.目前,距离将石墨烯材料大规模应用至汽车量产中仍需进行大量研发工作.Deakin 博士一直致力于推广石墨烯在车辆设计和制造中的应用,但也同时坦诚面对可能的挑战: 石墨烯在某些场景下的应用可能在几年后能够实现,在其他场景下的应用则可能需要十多年,具体时间通常难以判断,但我对这种材料的潜力充满信心.

预测显示,到 2020 年,全球汽车行业每年的塑料使用量可能高达 600 万吨塑料,但zui终用量可能有所浮动:比如,如果通过添加石墨烯制造更坚固、更轻质的塑料,并用其替代其他质量密度更大的材料,塑料的zui终用量可能会有所增加.

增强塑料

Deakin 博士及其团队致力于将塑料强度提高 30% 以上,从而达到减少用量但又能达到同等或更高强度的目的.然而,目前车辆制造中常用的塑料种类高达 13 种,而所有类型的塑料都必须经过测试程序.

Deakin 博士表示, 我们必须确定将石墨烯加入塑料的方式,及具体混入的比例,比如 1%到 5%;接着,我们必须改进各种必需工艺和技术;zui后,我们将优化全面测试,进而将小规模生产推动至工业规模. 目前,Deakin博士已经开始利用石墨烯材料,优化轮胎、复合车身面板、CFRP 材料及电池的70性能.

他表示, zui初阶段,我们必须找出zui具意义的应用场景,也正因如此,我们正在寻求大量行业专家的帮助.举例来说,我们可以利用石墨烯将轮胎寿命延长至现有水平的 1.木工刨刀5 倍,甚至 2 倍,并同时降低制造过程对塑料微粒的需求,这对保护环境极具意义.zui近的一份报告指出,在zui终倾倒至海洋的直径不到 1 m必须经放大后才能到达要求的值m的塑料微粒垃圾中,有超过 28%均来自轮胎. 石墨烯还有助于降低电池的重量和尺寸,进而有效延长电动车的续航里程,并有提高电池充电速度的潜力.

此外,石墨烯还可以改善塑料板或缓冲器的耐冲击强度,另外当应用至车辆底盘时,也可以获得类似的性能提升.当然为了取得理想效果,也必须不断优化石墨烯的混合比例.另一方面,石墨烯通常无法用于铝材或钢材的增强,但 直接使用通过石墨烯增强后的塑料替代这些金属材料 也是一个可选的思路.

Deakin 博士解释说: 如果使用石墨烯加固塑料,部件的扭转刚度将保持不变,甚至有所提高,且耐冲击强度也会提高.因此,预计未来将有越来越多的场景开始使用质量更轻的塑料、CFPR 和 GRP 材料.

Versarien 在 2014 年收购 2D 专家公司,当时后者每天的石墨烯产量仅为 1 克,现今随着新设备的投用,公司预计将在今年晚些时候将单日石墨烯产量增加到 1 公斤(2.2磅).

对此,Deakin 博士另外不允许将温度感应器从制冷槽里取出表示这相当于生产要素增加了 1000 倍.简单计算,如果每台设备的日均产量可以提以团队专家的跨学科、跨领域科技优势互补和资源公道配置升至 10 公斤(22 磅),则 100 部设备即可将公司的单日产量提升至 1 吨.Deakin 博士补充说, 此外,在显著优化塑料性能时,我们还必须控制加入塑料的石墨烯用量(可能只有 1%或更少),这点非常重要.

Deakin 博士对石墨烯生产设备及其工作方式的细节三缄其口,仅表示塑料厂家可以在现有生产车间中轻松安装这种设备.

在Deakin 博士的定义中, 真正的 石墨烯仅包含一层单原子厚的单层碳原子层.然而,Versarien 石墨烯材料的大部分鳞片均不超过 5 层、90%的鳞片均不超过 10 层,平均横向尺寸仅为 2 微米.

此外,可回收性是任何新材料在正式开始应用之前必须考量的重要问题.Deakin 博士认为,石墨烯的出现将使旧塑料 重焕新生 (例如当塑料因紫外线照射出现退化时),也就是保持其原始特性或性能,重新进入供应链.

然而,我们仍需面临一个长期存在的问题:即 通过添加石墨烯降低车辆的塑料使用量 的成本效益到底如何?Deakin 博士说: 我们预计,通过使用我们的技术,这种石墨烯解决方案将在未来几年中真正具备成本效益,大约需要五年时间. 那么,这种仅有一层单原子厚的石墨烯到底是否可以称得上一种真正的 革命性 材料? 这就需要时间来验证了.