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石墨烯納米片規模化生産可待 或為航空航天帶來颠覆

石墨烯納米片材料主體用于锂電池正、負極材料,随着環境保護電動車的市場占有率和容量擴大,預計實現規模化生産和應用指日可待。中航工業北京航空材料研究院首創“石墨烯增強金屬基納米複合材料”,不但發明了一類具有優異性能的新型高端金屬基納米複合材料,該材料或還将對未來航空航天器帶來革命性變革。
石墨烯在航空航天領域有諸多應用,而中國航空工業集團是中國在該領域的代表力量,故而其在石墨烯領域的進展往往較一般研發實體更為人所關注,他們取得了什麼成績,他們的研發體制是什麼樣的,為此記者聯系采訪了中航工業北京航空材料研究院石墨烯研究團隊(下稱航材院)。
據航材院團隊成員介紹,目前它們具備完全自主知識産權的石墨烯納米片批量化制備的全套工藝技術及專用設備,建立了産能100噸/年的石墨烯納米片全自動化生産線,獲得4層以下的石墨烯納米片,單層率大于90%,并具有極大比表面積和良好的分散性。在此基礎上針對其在儲能、環境等領域的應用制備了多種功能化石墨烯,包括羟基化石墨烯、羧基化石墨烯、鍍銀石墨烯、鍍銅石墨烯、負載磁性粒子石墨烯、半導體雜化石墨烯等。開發了各類石墨烯宏觀體,包括石墨烯纖維、石墨烯海綿、石墨烯氣凝膠、石墨烯同軸納米線、石墨烯織物等。
石墨烯納米片規模化生産可待 或為航空航天帶來颠覆
航材院具備批量制備大尺寸、高質量化學氣相沉積(CVD)石墨烯薄膜的完全自主知識産權的全套制備技術及專用設備,突破了反應源氣體與載氣壓配比、化學氣相沉積(CVD)反應室爐溫均勻性、轉移介質和載體匹配性、目标物與石墨烯薄膜兼容性等多項關鍵技術,解決了國産銅箔表面狀态匹配性和多層模具設計和裝配問題,提高了石墨烯薄膜的産品質量及産量,獲得的石墨烯薄膜最大尺寸300mm×300mm,透光率93%以上,方塊電阻300-500歐,層數1-5層并可控,形成年産十萬片石墨烯薄膜(300mm×300mm)的生産能力。
此外,在傳統化學氣相沉積(CVD)制備方法基礎上,通過集智攻關,設計制造出規模化生産石墨烯連續薄膜的化學氣相沉積(CVD)原理樣機(Roll-to-roll設備),該設備可實現長度不限的石墨烯薄膜的連續工業化制備,為石墨烯薄膜規模化生産奠定基礎。
關于石墨烯材料在锂電池中的應用,航材院表示,在提升傳統锂電池性能方面,基于自主研發、生産的易分散、大比表面積的高品質石墨烯納米片,針對航空、航天和汽車領域對高能量存儲密度和高功率密度電池的需求,研制了石墨烯改性LiFePO4/liMnPO4锂離子電池正極材料和石墨烯改性锂離子電池負極材料,組裝了石墨烯锂離子電池典型測試試樣,石墨烯的添加顯著提高了锂離子電池的能量密度和功率密度,減小了電池充電時間,提高了電池續航能力,石墨烯锂離子電池展現出優異的循環特性。
石墨烯在航空航天領域有廣闊前景,在這方面航材院收獲頗豐。
航材院團隊成員稱,基于鋁基石墨烯材料的研究,利用石墨烯高強、高模量的特性,以及航材院生産石墨烯粉末品質高、比表面積大和易于分散的特點,成功研制出700MPa級别以上的石墨烯鋁基複合材料,以及彈性模量95GPa以上石墨烯鋁基複合型材。航材院首創“石墨烯增強金屬基納米複合材料”,不但發明了一類具有優異性能的新型高端金屬基納米複合材料,該材料或還将對未來航空航天器帶來革命性變革。首次利用光學顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)等現代材料表征手段對石墨烯增強金屬基納米複合材料的微觀組織結構進行表征,并測試其拉伸性能。結果表明:石墨烯納米片均勻分布在鋁合金基體中,與基體形成良好的原子尺度結合界面,且石墨烯納米片與鋁合金基體未發生化學反應,并保留了原始的納米片結構。例如,向鋁合金中添加質量分數僅為0.3%的石墨烯納米片時,其屈服強度和抗拉強度分别達到322MPa和455MPa,較未添加石墨烯納米片的鋁合金分别提高58%和25%,且鋁合金的伸長率沒有降低。
在以上領域之外,航材院還有突破。譬如,航材院基于鋁基和钛基石墨烯材料的研究基礎,利用石墨烯超高導熱的特性,以及航材院生産石墨烯粉末品質高、比表面積大和易于分散的特點,充分發揮石墨烯導熱性能,在保證工藝性能和線膨脹要求的同時,成功研制出導熱率大于210 W/moK的石墨烯電子封裝材料,相比技術指标提升一倍,彎曲強度提升3倍,彈性模量提升50%。
另外,石墨烯增強鋁、銅基納米複合材料在電線電纜導體上的應用研究基于前期石墨烯增強鋁、銅基納米複合材料的研究基礎,針對航空、航天和電子等領域對超高頻射頻電纜、超高壓電纜和耐蝕電纜的需求,開展了石墨烯在電線和電纜領域的應用研究,獲得了不同規格的石墨烯增強鋁、銅導線和電纜等典型樣件,石墨烯可以顯著提高電纜材料的強度、韌性和耐蝕等性能。
其次,在其他複合材料、環境淨化材料等方面的應用,航材院采用一種獨特的制備技術,制備了超輕石墨烯纖維增韌膜,對複合材料的增強增韌具有極其顯著的效果;中航工業航材院研制出了一種強吸附、高過濾的石墨烯環境淨化材料,在空氣淨化、油污處理領域具有極強的應用價值;中航工業航材院通過對石墨烯納米片改性,并通過特殊的制備工藝研制出了性能優異的石墨烯/聚合物導電導熱材料,并制備了結構功能一體化器件,在航空、航天、電子等領域具有廣闊的應用空間。
作為軍工集團下屬的研發機構,航材院的研發體制與一般企業肯定有不同之處,據其介紹,航材院組建了跨單位、跨專業的石墨烯研究機構——石墨烯及應用研究中心。
航材院石墨烯中心按項目管理,建立了快速響應機制,減少了管理層級。航材院石墨烯中心由30多名以博士為主的年輕科研人員組成研究團隊,專業涵蓋物理、化學、材料、工藝、性能表征與評價等多個領域,是一個跨學科、跨專業的高度融合的創新研究團隊,便于創新思想碰撞和集智攻關。航材院自籌經費設立專項研發基金,為石墨烯專項研究提供必要的經費支持,避免因科研人員按部就班申請各類科技計劃造成研究周期較長從而失去研究先機;同時中航工業也通過集團創新基金經費傾斜,給航材院石墨烯專項研究提供了研究經費補充。航材院在石墨烯研究的實驗室條件和手段方面給予優先支持,成立專項保障組,快速建立和配備實驗室和生産線所需的廠房、工藝設備、原材料和測試條件,保證了基本的研究需要。
最後關于石墨烯技術的高端技術的規模化應用,航材院給出了自己的時間表:石墨烯薄膜替代摻錫氧化铟(ITO)作為下一代電子産品的高性能低成本透明導電薄膜,随着手機領先應用并投放市場,若取得一定技術突破,預計大規模上市不會太久。
石墨烯納米片材料主體用于锂電池正、負極材料,随着環境保護電動車的市場占有率和容量擴大,預計實現規模化生産和應用指日可待。石墨烯納米片改性金屬基複合材料作為輕質高強結構材料,以及石墨烯納米片增強增韌樹脂基複合材料作為結構功能一體化材料,随着下一代飛機和發動機的發展,在不久的将來,可以形成規模化生産和應用。

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