石墨烯增强复合材料

　　石墨烯在不到20 年前首次被生产出来，是目前已知的最薄的材料。就商业目的而言，让一种新材料得到广泛接受可能是一个缓慢的过程。但石墨烯的情况并非如此，它似乎正快速进入复合材料行业。

　　石墨烯的强度是钢的100 到300 倍，是迄今为止测量过的最强材料。当加入到玻璃钢复合材料中时，极少量的石墨烯就能使其性能发生重大变化。

　　美国石墨烯理事会表示：“我们进行了比较研究，石墨烯的负载系数从0.9% 到0.5% 到.01%，这仍然使复合材料的机械性能提高了35% 到 45%。”该理事会是鼓励将石墨烯用于商业应用的领导机构。

　　汽车应用

　　石墨烯生产商一直在与制造商密切合作，将纳米材料纳入到复合材料中。一些高端产品的制造商在他们的混合物中加入了石墨烯，但石墨烯行业正在努力扩大使用范围。

　　总部位于英国格洛斯特郡的 Versarien PLC 在过去两年中大幅增加了石墨烯粉末产品的产量，包括其旗舰产品Nanne™ , 希望将石墨烯市场扩展到更大容量、更低价格的应用领域。

　　“五年前，我们每周只生产几克。我们现在每年生产10 吨。我们有可能在明年再将产量扩大10 倍左右。”Versarien公司项目管理主管吉姆• 巴奈特（Jim Barnett）说。

　　汽车行业是一个潜在的大批量客户。在一个示范项目中，Versarien 的子公司2-DTech 与莲花汽车、谢菲尔德大学的先进制造和研究中心（AMRC）和几家复合材料供应链公司合作，为莲花Evija 电动跑车生产石墨烯增强碳纤维增强罩。通过确定用于发动机罩的预浸树脂中石墨烯的最佳含量，该团队将部件的机械性能提高了10%，并生产出符合Lotus 公司涂料规格的表面。

　　石墨烯的多功能特性使其对各种汽车零件都很有用。石墨烯增强复合材料可用于汽车的结构面板和内部零件，纳米材料的高温热分解温度也可降低火灾风险。

　　Versarien 首席技术官史蒂夫• 霍奇（Steve Hodge）表示：“石墨烯具有良好的电气性能、高机械强度、良好的导热性和光学性能。它是一种化学稳定性强的材料；在达到非常高的温度之前不会降解。我们可以很容易地修改表面的化学成分，使其更适合某些树脂体系，实际上，它就像一个工具箱，使我们能够修改和增强任何复合材料。”

　　一旦汽车公司和复合材料制造商确信石墨烯生产商能够提供所需数量和一致性能水平的纳米材料，他们将更有可能将石墨烯纳入汽车零部件。

　　石墨烯增强SMC

　　2021，石墨烯生产商NanoXplore 在蒙特利尔开设了一家全自动生产工厂，该工厂使用液体剥离工艺生产两种等级的石墨烯粉末。该公司还经营一家复合材料业务部门，主要为重型卡车和公共汽车行业生产成品部件。该公司表示，采用石墨烯增强SMC 外墙板的车辆应在未来几个月内投入商业运营。

　　该公司正与一家工业合作伙伴合作，生产一种专有的石墨烯增强SMC 化合物，用于制造复合零件，并以 NanoXplore 商标为品牌销售给其他模具制造商。

　　NanoXplore 在SMC 中保持与之前相同的纤维负载水平，并添加石墨烯以进一步提高机械性能。这使得汽车供应商能够生产更轻、更薄的零件，而不会降低其强度。

　　该公司表示：“原始设备制造商可以使用更少的SMC 材料，在成本中性的情况下生产同等性能的零部件。”石墨烯的加入还促进了材料在模具内的更好的流动性，使其能够创造更复杂的几何形状，并提供了美观的表面光洁度和更好的耐候性性能。

　　了解将石墨烯分散到SMC 中的最佳方法是获得预期结果的关键。“有多种方法将粉末分散到树脂系统中，这是众所周知的。棘手的部分是找出过程参数：步骤是什么？你把它放在哪里？加工多长时间？这是独特的工艺细节。” 该公司表示。

　　添加剂的功能化

　　MITO Materials 不生产石墨烯。相反，公司将其功能化或增强。功能化包括向石墨烯中添加其他元素，以提高其溶解度、增强其强度或改善其与基质材料的结合。

　　MITO 最初使用环氧多面体倍半硅氧烷（POSS®）对氧化石墨烯进行功能化，以生产其E-GO 产品。

　　海莉• 基思（Hailey Keith）与丈夫凯文（Kevin）共同创建了该公司，她说：“我们给石墨烯一个化学浴，并使用石墨烯氧化物上的点来连接 POSS，然后过滤并干燥。POSS 的使用有助于确保石墨烯在聚合物系统中的良好分散，并有助于赋予材料的强度、能量分散性、韧性和耐久性。”

　　在聚合物质量浓度仅为0.1% 的情况下，功能化石墨烯可以将热固性和热塑性复合材料的性能提高20% 到 135%。根据该公司的说法，通过功能化石墨烯，制造商可能能够获得一种更便宜的树脂，其性能与更昂贵的树脂一样好，甚至更好。

　　一家体育用品制造商已经开始销售含有MITO E-GO 石墨烯的滑雪板。 Folsom定制滑雪板进行了六个月的实地测试，制作了三副滑雪板，每块滑雪板含10克E-GO，浓度约为1%。他们发现，不仅增加了35%的弯曲强度，而且还将滑雪板的阻尼性能提高了100%。添加石墨烯也将滑雪板重量减轻了20%。 MITO目前正在与一家大型的国家半挂车制造商合作，该制造商正在从钢和复合挂车的组合过渡到纤维增强复合挂车。 Kevin解释说：“仅通过更换全复合材料的地板和侧壁，他们就可以减轻拖车 35%的原始重量。”酯类的问题是，它们没有金属一样的磨损性能;甚至他们的树脂供应商的定制配方也达不到规格。

　　制造商目前正在测试用功能化石墨烯制成的FRP 构件。到目前为止，试验结果很有希望，制造商可能最终能够过渡到全复合材料的拖车。

　　假设只有一半的美国车队采用这种重量明显更轻的拖车，载重量相同，每年将节省120 亿美元的燃料，减少进入大气的5700 万吨二氧化碳。

　　优化应用程序

　　计算复合材料中适当数量的石墨烯是一种平衡行为。虽然一定比例的石墨烯可能为复合材料提供最佳的机械性能，但如果客户也希望利用其电气性能，则可能需要更高的比例。

　　Versarien 开发了一个关于石墨烯如何与各种聚合物作用的大型数据库，可以帮助客户确定纳米材料在其应用中的作用程度。该公司表示：“我们必须与客户密切合作，以找到解决方案，而且我们经常必须做出妥协。你必须逐个优化每个系统。”

　　MITO 开发了类似的参考材料。 Keith 说：“我们发现石墨烯缺少的是通向复合材料的桥梁。客户需要了解石墨烯如何与不同的主体材料相互作用和集成，他们可以期待什么性质和挑战，或者他们可以在这些不同的聚合物中解决什么问题。”

　　跨行业应用

　　石墨烯不是一种神奇的添加剂；将其添加到复合材料中不会自动解决制造商在特定复合材料组件上遇到的所有问题。但随着越来越多的石墨烯材料以不同的价格点和不同的性能上市，随着复合材料制造商及其客户对该材料的了解越来越深入，石墨烯很可能成为制造组合中更常见的元素。例如，在飞机工业中，石墨烯的高导电性可以使制造商将其用于传感器。

　　Hodge 说：“如果有一个电场流过你的结构，而这个电场由于冲击损伤或一些内部损伤而中断，石墨烯的导电路径可以用作结构健康监测传感器。”Versarien 还与空中客车公司和其他欧洲合作伙伴合作，将石墨烯用作飞机防冰和除冰应用的电热加热器。

　　在可持续性方面，石墨烯可用于提高生物衍生复合材料的性能。在这些复合材料中添加少量石墨烯可以改善通常较低的生物材料性能，最终显著减少碳排放。

　　石墨烯可以被包含在混合物中，为复合材料部件生产防火涂层，或增强鞋子、鱼竿和高尔夫球杆的性能。石墨烯复合管道比其他材料制成的管道更有效地冷却，使其成为石油、天然气和类似行业的理想选择。

　　石墨烯还有另一个重要的优势。无论是热塑性塑料还是环氧树脂体系，石墨烯都可以相对容易地添加到( 复合材料制造的) 液相中，而不需要改变工艺或需要额外的资本设备。

　　Versarien 公司表示：“就像镍是不锈钢的标准成分一样，石墨烯将成为高级复合材料应用的标准成分。”该公司预计，到今年年底，一些树脂公司将提供预载石墨烯的树脂系统。