石墨烯在不到20 年前首次被生產出來，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緩慢的過程。但石墨烯的情況并非如此，它似乎正快速進入復合材料行業(yè)。

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

　　美國石墨烯理事會表示：“我們進行了比較研究，石墨烯的負載系數(shù)從0.9% 到0.5% 到.01%，這仍然使復合材料的機械性能提高了35% 到 45%。”該理事會是鼓勵將石墨烯用于商業(yè)應用的領導機構。

　　汽車應用

　　石墨烯生產商一直在與制造商密切合作，將納米材料納入到復合材料中。一些高端產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品的產量，包括其旗艦產品Nanne™ , 希望將石墨烯市場擴展到更大容量、更低價格的應用領域。

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

　　汽車行業(yè)是一個潛在的大批量客戶。在一個示范項目中，Versarien 的子公司2-DTech 與蓮花汽車、謝菲爾德大學的先進制造和研究中心（AMRC）和幾家復合材料供應鏈公司合作，為蓮花Evija 電動跑車生產石墨烯增強碳纖維增強罩。通過確定用于發(fā)動機罩的預浸樹脂中石墨烯的最佳含量，該團隊將部件的機械性能提高了10%，并生產出符合Lotus 公司涂料規(guī)格的表面。

　　石墨烯的多功能特性使其對各種汽車零件都很有用。石墨烯增強復合材料可用于汽車的結構面板和內部零件，納米材料的高溫熱分解溫度也可降低火災風險。

　　Versarien 首席技術官史蒂夫• 霍奇（Steve Hodge）表示：“石墨烯具有良好的電氣性能、高機械強度、良好的導熱性和光學性能。它是一種化學穩(wěn)定性強的材料；在達到非常高的溫度之前不會降解。我們可以很容易地修改表面的化學成分，使其更適合某些樹脂體系，實際上，它就像一個工具箱，使我們能夠修改和增強任何復合材料。”

　　一旦汽車公司和復合材料制造商確信石墨烯生產商能夠提供所需數(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SMC

　　2021，石墨烯生產商NanoXplore 在蒙特利爾開設了一家全自動生產工廠，該工廠使用液體剝離工藝生產兩種等級的石墨烯粉末。該公司還經營一家復合材料業(yè)務部門，主要為重型卡車和公共汽車行業(yè)生產成品部件。該公司表示，采用石墨烯增強SMC 外墻板的車輛應在未來幾個月內投入商業(yè)運營。

　　該公司正與一家工業(yè)合作伙伴合作，生產一種專有的石墨烯增強SMC 化合物，用于制造復合零件，并以 NanoXplore 商標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載水平，并添加石墨烯以進一步提高機械性能。這使得汽車供應商能夠生產更輕、更薄的零件，而不會降低其強度。

　　該公司表示：“原始設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同等性能的零部件。”石墨烯的加入還促進了材料在模具內的更好的流動性，使其能夠創(chuàng)造更復雜的幾何形狀，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期結果的關鍵。“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？加工多長時間？這是獨特的工藝細節(jié)。” 該公司表示。

　　添加劑的功能化

　　MITO Materials 不生產石墨烯。相反，公司將其功能化或增強。功能化包括向石墨烯中添加其他元素，以提高其溶解度、增強其強度或改善其與基質材料的結合。

　　MITO 最初使用環(huán)氧多面體倍半硅氧烷（POSS®）對氧化石墨烯進行功能化，以生產其E-GO 產品。

　　海莉• 基思（Hailey Keith）與丈夫凱文（Kevin）共同創(chuàng)建了該公司，她說：“我們給石墨烯一個化學浴，并使用石墨烯氧化物上的點來連接 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度、能量分散性、韌性和耐久性。”

　　在聚合物質量濃度僅為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開始銷售含有MITO E-GO 石墨烯的滑雪板。 Folsom定制滑雪板進行了六個月的實地測試，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合掛車的組合過渡到纖維增強復合掛車。 Kevin解釋說：“僅通過更換全復合材料的地板和側壁，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商的定制配方也達不到規(guī)格。

　　制造商目前正在測試用功能化石墨烯制成的FRP 構件。到目前為止，試驗結果很有希望，制造商可能最終能夠過渡到全復合材料的拖車。

　　假設只有一半的美國車隊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，減少進入大氣的5700 萬噸二氧化碳。

　　優(yōu)化應用程序

　　計算復合材料中適當數(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合材料提供最佳的機械性能，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)了一個關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，而且我們經常必須做出妥協(xié)。你必須逐個優(yōu)化每個系統(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)應用

　　石墨烯不是一種神奇的添加劑；將其添加到復合材料中不會自動解決制造商在特定復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格點和不同的性能上市，隨著復合材料制造商及其客戶對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，在飛機工業(yè)中，石墨烯的高導電性可以使制造商將其用于傳感器。

　　Hodge 說：“如果有一個電場流過你的結構，而這個電場由于沖擊損傷或一些內部損傷而中斷，石墨烯的導電路徑可以用作結構健康監(jiān)測傳感器。”Versarien 還與空中客車公司和其他歐洲合作伙伴合作，將石墨烯用作飛機防冰和除冰應用的電熱加熱器。

　　在可持續(xù)性方面，石墨烯可用于提高生物衍生復合材料的性能。在這些復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，為復合材料部件生產防火涂層，或增強鞋子、魚竿和高爾夫球桿的性能。石墨烯復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。

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

　　Versarien 公司表示：“就像鎳是不銹鋼的標準成分一樣，石墨烯將成為高級復合材料應用的標準成分。”該公司預計，到今年年底，一些樹脂公司將提供預載石墨烯的樹脂系統(tǒng)。

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