石墨烯在飞机和汽车的复合材料中脱颖而出

 
该可视化显示了用于膜的石墨烯层。图片来源：曼彻斯特大学石墨烯旗舰汇集了欧洲顶级研究人员和公司，讨论了最具破坏性的方法可以增强石墨烯在航空，汽车和能源行业中使用的复合材料。多学科团队的成员来自学术机构，石墨烯旗舰合作伙伴Nanesa和Avanzare等企业以及石墨烯旗舰合作伙伴空中客车和菲亚特等大型运输最终用户行业的研究人员。他们表明，将石墨烯和相关材料(GRM)集成到纤维增强复合材料(FRC)中具有巨大的潜力，可以改善重量和强度，并有助于克服瓶颈，限制了这些复合材料在飞机，汽车，风力涡轮机等领域的应用。如今，交通运输业占全球能源需求的近三分之一，是城市地区污染和温室气体排放的主要来源。因此，石墨烯旗舰科学家一直在努力开发新材料以降低燃料使用量和二氧化碳排放量，从而有助于减轻环境破坏和气候变化。
石墨烯集成的复合材料是较轻的材料的一个示例，具有在车辆框架中使用的巨大潜力。它们是通过将数十亿分之一米厚的石墨烯片材作为纳米添加剂引入到分层纤维复合材料中而制成的。分层纤维复合材料是一种复合材料，其中不同尺寸的组分以受控方式组合在一起，以显着改善机械性能。它们通常由附着在聚合物基体上的微米或介观的碳纤维(百万分之一米厚)组成，它们已经被用作建筑材料来制造各种形状和尺寸的车辆。
石墨烯的高纵横比，高柔韧性和机械强度使其能够增强这些复合材料中薄弱点的强度，例如在两个不同组件之间的界面处。其可调节的表面化学性质还意味着可以根据需要调整与碳纤维和聚合物基体的相互作用。纤维，聚合物基体和石墨烯层一起工作以分布机械应力，从而得到具有提高的强度和其他有益性能的材料。
有许多挑战需要考虑。例如，飞机每次起飞和降落时都会经历20°C到-40°C的温度变化，压力和湿度差异很大。因此，石墨烯集成的复合材料需要承受水在机身内部的凝结甚至冻结。他们还需要承受雷击，雷击每月要发生几次，因此必须利用石墨烯的导电特性来创建可抵抗电磁脉冲的导电框架。在汽车中，新的结构材料必须能够承受碰撞测试，并且必须足够轻巧以确保燃油效率。石墨烯旗舰研究人员也在研究导电材料，以取代汽车仪表板中的电路。
研究人员和最终用户走到一起
玛丽皇后大学和英国国家石墨烯研究所，希腊FORTH-Hellas，意大利CNR和瑞典查尔姆斯理工大学的石墨烯旗舰合作伙伴与都灵大学，特伦托大学和KET-LAB的研究人员合作意大利和希腊的帕特雷大学，以提供研究界的观点。他们与意大利石墨烯旗舰合作伙伴公司Nanesa和西班牙Avanzare的科学家合作，审查了掺有石墨烯的FRC的技术可行性。
该论文的合著者兼Nanesa总裁Francesco Bertocchi认为，掺入石墨烯的FRC确实可用于车辆设计，并已开发出具有交通运输行业许多基本性能的新型复合材料。 “感谢石墨烯旗舰公司，Nanesa与许多合作伙伴紧密协作，共同创建了许多不同的原型。这些原型包括诸如阻燃性，水蒸气吸收屏障，高电导率和导热率以及EMI屏蔽之类的特性。电阻式除冰和防冰系统。”他说。
石墨烯旗舰合作伙伴空客和菲亚特-克莱斯勒汽车公司是世界领先的航空航天和汽车工业，评估了掺有石墨烯的FRC对航空航天和汽车工业的影响，并评估了其商业可行性。
空中客车公司的合著者兼材料与工艺工程师塔玛拉·布兰科-瓦雷拉(Tamara Blanco-Varela)解释说，空中客车公司正在努力使这些材料在新飞机模型中可行。她说：“我们都知道，航空业对于引进新材料或新技术非常具有挑战性。空中客车公司致力于使与石墨烯有关的材料尽快飞行，并且正在逐步建立方法。”说。通过选择对航空航天业具有直接好处的“快速双赢”应用，她预计集成石墨烯的FRC将很快进入市场。
“一个例子是将这些材料用于飞机的除冰和除冰目的，空中客车公司将领导针对该技术的商业开发的活动。我们希望该技术达到较高的成熟度，目标准备水平为在接下来的几年中排名第五和第六。”
石墨烯旗舰合作伙伴菲亚特-克莱斯勒汽车公司的合著者兼研究员Brunetto Martorana补充说：“石墨烯有趣的结构特性为设计新型轻质复合材料打开了一个有趣的窗口。”他解释说，新型轻质复合材料不一定需要降低强度并带来安全问题。他继续说：“必须找到新的方法来增强复合材料的’耐撞性’，而石墨烯复合材料也许能够填补这一角色。”菲亚特-克莱斯勒汽车公司现已致力于新型复合材料的商业化，并将领导一项新计划将这项技术推向市场。”
令人振奋的前景
“石墨烯旗舰产品为不同的合作伙伴提供了稳定，清晰，持久的合作伙伴关系。作为我们复合材料工作包的一部分，他们都开始了合作，”石墨烯旗舰产品副总监兼论文的主要作者Vincenzo Palermo说道。 。他说：“石墨烯旗舰计划促使所有合作伙伴进行频繁的互动，并定期召开会议。在这种情况下，那些以不同动机开始研究石墨烯的合作伙伴聚集在一起应对共同的挑战。”
石墨烯旗舰产品的“复合材料工作包”负责人Galiotis表示，这种合作非常有价值。 “这是对石墨烯旗舰产品及其他产品所进行工作的全面回顾，以确认添加GRM可以为航空航天，汽车，能源和休闲行业的许多应用带来好处。” Galiotis对这篇综述进行了分析，该评论对将GRM加工成复合材料的最佳方法，其对整体复合材料性能的影响以及科学家在寻找高性能复合材料时面临的挑战表示了特别的兴趣。他总结说：“总的来说，我认为这是有关复合材料领域的及时评论文章，所有与复合材料开发和使用有关的各方都应该对它有兴趣地阅读。”
石墨烯旗舰产品的科学技术官兼管理小组主席Andrea C. Ferrari表示：“本文显示了大公司和小型企业(石墨烯旗舰产品的所有合作伙伴)在将石墨烯复合材料推向市场的领导地位。接下来的几年。这再次显示了石墨烯旗舰产品在其技术和创新路线图上的稳步发展。”