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石墨烯材料有望將車輛的塑料部分減重20%

發布時間:2020-03-15  瀏覽:

我們僅需向某些塑料中添加非常少量的石墨烯,即可顯著改變塑料的特性和性能。在汽車行業的宣傳中,新技術總是被冠以“革命性”的描述,但這經常是美好的願望,並非所有人都相信。然而,對於一種新興材料而言,隻要在“革命性”前麵加上“可能”二字,這種描述就非常客觀了。這就是石墨烯,它“可能”是一種“革命性”汽車技術。回顧過去,石墨烯材料在 2004 年由英國北部曼徹斯特大學的研究人員正式分離出來,目前仍隻是一種隻有“十幾歲”的新材料,但已經開始穩步向成熟量產推進。未來十年內,石墨烯材料可能將給設計和製造領域帶來巨大改變,包括提升電動汽車和自動駕駛汽車的效率。

Versarien 公司是一支由 Andrew Deakin 博士擔任首席技術工程師的先進材料工程團體,致力於將石墨烯材料的應用從理論研究推廣至實際生產,讓這種新興材料充分發揮降低重量、強化材料及優化電池的作用。“隻要使用得當,我認為石墨烯材料有望將車輛的塑料部分減重20%,這將是革命性的。此外,憑借卓越的導電性能,石墨烯材料還有望優化電池性能,進而顯著延長電池的使用壽命。”


作為一種同素異形體,石墨烯是一種石墨(通常用於鉛筆和幹式潤滑劑)衍生物。目前,距離將石墨烯材料大規模應用至汽車量產中仍需進行大量研發工作。Deakin 博士一直致力於推廣石墨烯在車輛設計和製造中的應用,但也同時坦誠麵對可能的挑戰:“石墨烯在某些場景下的應用可能在幾年後能夠實現,在其他場景下的應用則可能需要十多年,具體時間通常難以判斷,但我對這種材料的潛力充滿信心。”

預測顯示,到 2020 年,全球汽車行業每年的塑料使用量可能高達 600 萬噸塑料,但最終用量可能有所浮動:比如,如果通過添加石墨烯製造更堅固、更輕質的塑料,並用其替代其他質量密度更大的材料,塑料的最終用量可能會有所增加。

Deakin 博士及其團隊致力於將塑料強度提高 30% 以上,從而達到減少用量但又能達到同等或更高強度的目的。然而,目前車輛製造中常用的塑料種類高達 13 種,而所有類型的塑料都必須經過測試程序。

Deakin 博士表示,“我們必須確定將石墨烯加入塑料的方式,及具體混入的比例,比如 1%到 5%;接著,我們必須改進各種必需工藝和技術;最後,我們將優化全麵測試,進而將小規模生產推動至工業規模。”目前,Deakin博士已經開始利用石墨烯材料,優化輪胎、複合車身麵板、CFRP 材料及電池的性能。

他表示,“最初階段,我們必須找出最具意義的應用場景,也正因如此,我們正在尋求大量行業專家的幫助。舉例來說,我們可以利用石墨烯將輪胎壽命延長至現有水平的 1.5 倍,甚至 2 倍,並同時降低製造過程對塑料微粒的需求,這對保護環境極具意義。最近的一份報告指出,在最終傾倒至海洋的直徑不到 1 mm的塑料微粒垃圾中,有超過 28%均來自輪胎。”石墨烯還有助於降低電池的重量和尺寸,進而有效延長電動車的續航裏程,並有提高電池充電速度的潛力。

此外,石墨烯還可以改善塑料板或緩衝器的耐衝擊強度,另外當應用至車輛底盤時,也可以獲得類似的性能提升。當然為了取得理想效果,也必須不斷優化石墨烯的混合比例。另一方麵,石墨烯通常無法用於鋁材或鋼材的增強,但“直接使用通過石墨烯增強後的塑料替代這些金屬材料”也是一個可選的思路。

Deakin 博士解釋說:“如果使用石墨烯加固塑料,部件的扭轉剛度將保持不變,甚至有所提高,且耐衝擊強度也會提高。因此,預計未來將有越來越多的場景開始使用質量更輕的塑料、CFPR 和 GRP 材料。”

Versarien 在 2014 年收購 2D 專家公司,當時後者每天的石墨烯產量僅為 1 克,現今隨著新設備的投用,公司預計將在今年晚些時候將單日石墨烯產量增加到 1 公斤(2.2磅)。

對此,Deakin 博士表示這相當於生產要素增加了 1000 倍。簡單計算,如果每台設備的日均產量可以提升至 10 公斤(22 磅),則 100 部設備即可將公司的單日產量提升至 1 噸。Deakin 博士補充說,“此外,在顯著優化塑料性能時,我們還必須控製加入塑料的石墨烯用量(可能隻有 1%或更少),這點非常重要。”

Deakin 博士對石墨烯生產設備及其工作方式的細節三緘其口,僅表示塑料廠家可以在現有生產車間中輕鬆安裝這種設備。

在Deakin 博士的定義中,“真正的”石墨烯僅包含一層單原子厚的單層碳原子層。然而,Versarien 石墨烯材料的大部分鱗片均不超過 5 層、90%的鱗片均不超過 10 層,平均橫向尺寸僅為 2 微米。

此外,可回收性是任何新材料在正式開始應用之前必須考量的重要問題。Deakin 博士認為,石墨烯的出現將使舊塑料“重煥新生”(例如當塑料因紫外線照射出現退化時),也就是保持其原始特性或性能,重新進入供應鏈。

然而,我們仍需麵臨一個長期存在的問題:即“通過添加石墨烯降低車輛的塑料使用量”的成本效益到底如何?Deakin 博士說:“我們預計,通過使用我們的技術,這種石墨烯解決方案將在未來幾年中真正具備成本效益,大約需要五年時間。”那麽,這種僅有一層單原子厚的石墨烯到底是否可以稱得上一種真正的“革命性”材料? 這就需要時間來驗證了。
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