【复材资讯】石墨烯增强——未来的材料

2023-08-08 08:02

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

微量的石墨烯和其他层状材料通常足以增强其他材料的性能，将石墨烯添加到金属、塑料和其他材料中，能够使它们更坚固、更轻、导电性能更强等。

无论是嵌入、分层还是喷涂，石墨烯都可以为现有产品带来新的性能，或者允许开发新的产品。它还减少了达到相同性能或将性能提高到以前无法达到的水平所需的材料量。

石墨烯和金属——解决未来的铜短缺问题

随着全球电气化程度的提高，对金属（尤其是铜）的需求将在未来几十年内增长一个数量级。另一方面，预计到 2030 年铜短缺量将达到 1000 万吨。

瑞典的GraphMaTech公司旨在减少对铜的需求，用石墨烯取代部分铜。与单独的铜相比，铜-石墨烯复合材料在硬度、杨氏模量和室温拉伸强度等几个指标上表现更好。此外，石墨烯填料可保持铜的机械性能，减少了可能导致电路故障或失去连接的电迁移效应。

GraphMaTech公司表示，其将石墨烯集成到金属中的技术，目标是改善金属-石墨烯复合材料。提高金属材料的性能意味着在某些应用中需要更少的金属用量。该公司专注于电气化应用，并考虑使用与氢兼容的石墨烯金属来实现未来的氢经济。

石墨烯和玻璃纤维——添加新功能

瑞典的Grafren AB公司正在用石墨烯薄片直接涂覆玻璃纤维，以改善其性能。传统的石墨烯涂料或粘合剂涂层方法不适用于玻璃纤维。石墨烯和玻璃纤维必须在纳米尺度上集成，在纤维表面组装和排列石墨烯薄片。该公司用石墨烯薄片以一种独特的方式涂覆玻璃纤维，最终得到的涂层类似于蛇皮，纤维表面排列着许多薄片，彼此重叠。该公司研究团队已成功展示了使用相同方法制造轻质柔软的电子纺织品（导电织物）。

石墨烯涂层玻璃纤维与裸玻璃纤维。

石墨烯和橡胶——赢得2022年环法自行车赛金牌

传统橡胶，无论是天然的还是合成的，都必须经历化学交联反应才能硬化。这些性能可以在制造过程中通过添加复合成分进一步增强。氧化石墨烯就是其中之一：它既可以交联又可以增强橡胶。可以增加橡胶承受长时间磨损的能力，提高橡胶的抗拉撕裂强度、阻燃性和耐热性。

意大利的Vittoria Spa将石墨烯应用于其赛车轮胎，在速度和滚动性能（+5%）、抓地力（+8%）、耐刺穿性（+19%）和耐用性方面都得到了改进。Vittoria 的第二代石墨烯化合物（Graphene 2.0）赢得了大巡回赛和欧洲、法国、德国、奥地利、俄罗斯、巴西和泛美越野 MTB 锦标赛的冠军。仅在 2022 年，Vittoria 的石墨烯增强型竞赛轮胎就成为所有类型自行车中速度最快的轮胎，赢得了环法自行车赛（公路赛）、UCI 世界碎石锦标赛、UCI 世界越野山地自行车锦标赛和 UCI 世界锦标赛等比赛的冠军田径锦标赛，展示了跨学科和地形的领先表现。

Jonas Vingegaard 凭借 Vittoria spa 的石墨烯竞赛轮胎赢得 2022 年环法自行车赛冠军。

石墨烯和混凝土——更多石墨烯，更少水泥

石墨烯增强混凝土的强度是标准混凝土的 2.5 倍，透水率是标准混凝土的 4 倍。它使用更少的水泥来提供所需的强度。由于水泥生产是建筑行业二氧化碳排放的主要原因，石墨烯增强混凝土预计可将这些排放量减少30%。

2022 年 3 月，Versarien 推出了世界上第一个采用石墨烯增强混合物的 3D 打印建筑结构，商标为 Cementene™。2022 年晚些时候，Versarien 与设计师 Steuart Padwick 合作，使用 Cementene™ 创建了 Island Steps——一种 3D 打印的无水泥结构，并在伦敦设计展上展出。

石墨烯增强的3D打印建筑结构

石墨烯和纺织品——编织导电纱线

石墨烯旗舰柔性电子工作包的研究人员正在开发富含石墨烯的导电聚酯（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）纱线。芬兰 VTT 研究所从英国剑桥大学接收基于石墨烯的层状材料，并将其与 PET 进行复合。随后，德国公司 Trevira GmbH 将这种材料纺成织物。如果技术经济上取得成功，这种材料有望成为一种新型的轻质导电纱线。