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重庆制石墨烯产品将改变你的生活
聊聊石墨烯和汽车界那些事

来源:华龙网综合2017-09-14

2017年石墨烯投资项目签约仪式暨成果发布会举行。记者 李文科 摄

    石墨烯能用来做什么?可折叠的柔性智能手机、可测心率的健康智能手表、可随身携带的透明键盘,不仅这些,如果有一天,你发现人的皮肤也可以用石墨烯来合成,千万不要惊讶。9月12日,5个石墨烯投资项目在中国科学院重庆绿色智能技术研究院举行了签约仪式,总投资额达1075万元。不久的将来,这些涉及到石墨烯在电子信息智能终端、复合材料以及生物医疗等领域的应用产品将纷纷亮相,充实我们的生活。

    石墨烯和汽车工业的结合也是非常紧密的,无论是设计还是制造,石墨烯可谓一直走在最前端,因其具备导电性强,材料最硬、强度超高、导热率超高、透光率超高等性能,被广泛应用于多个领域,誉为“即将颠覆二十一世纪的新材料”,备受各方关注。

全球第一辆采用石墨烯做车身材料的方程式赛车

    石墨烯与富勒烯、碳纳米管、金刚石一起构筑起碳从零维到三维的完整的同素异形体。目前,在汽车领域,作为其同胞兄弟的碳纳米管已经显示出诱人的应用前景,虽然石墨烯及其复合材料在汽车上的应用还比较少,但科学家们正在努力研究其在汽车领域方面的应用。

    汽车储能领域

    电源、电控、电机是纯电动汽车的三大系统。目前,作为电源的储能装置主要有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池,三者均要求其电极材料具备大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性,这为石墨烯的运用提供了广阔空间。

    石墨烯在汽车电池中的应用

    石墨烯是一类具有应用前景的锂离子电池负极材料,已经运用到汽车电池研究领域,西班牙一家以工业规模生产石墨烯的Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。石墨烯聚合材料电池的成本将比锂电池低77%,重量也仅为传统电池的一半。

    2015年上半年,山东玉皇新能源科技有限公司搭建起了第一条新型电池生产线,这款快充型锂电动力电池最大的特点就是加入了石墨烯, 将电芯内阻减小到最小,有效地解决了阻碍锂电池产品快速充电的技术瓶颈,同时大大延长了电池寿命。目前已经投产,主打物流车和观光车市场一块加入石墨烯的“超能”电池,30分钟可充电至最大容量,配备在新能源汽车上续航里程最高可达400公里,并且电池重量大大减轻。

    石墨烯在超级电容器中的应用

    所谓超级电容,是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也有称作“电容电池”。作为储能器件的一种,超级电容器在充放电过程中释放的能量巨大,但功率却只有同重量普通电容器的十分之一。由于超级电容器充放电过程是物理变化,与化学变化的锂电池充放电过程相比,超级电容器可以快成快放,不用担心损伤电池。因此业界专家认为其以上优势可以取代锂电池成功搭载在新能源汽车中。

    南车株机2015年5月单批量交付的世界首列超级电容100%低地板有轨电车,其采用7500F 双电层超级电容,寿命长达10年,充放电次数可达100万次。列车每次进站可快速充电,最大充电时间30秒,最快10秒便能完成充电。2015年10月9日,中国中车株洲电力机车有限公司对外发布消息,自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容问世。经院士专家组评审认定,其代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

    石墨烯在储氢材料中的应用

    在燃料电池领域,氢燃料是未来发展的方向。氢能源在汽车上的应用研究发展很快,通用汽车已推出的第三代燃料电池汽车,车速每小时已可达160km/h,续航里程400km。储氢材料的纳米化是提高储氢能力的一个重要方向。目前,用于储氢的材料,如镧镍系稀土、镁系合金等,价格非常昂贵。而石墨烯因具有纳米结构,同时成本相对较低,是储氢材料的较好选择。

    目前,有关石墨烯储氢的实际研究结果与理论容量仍有一定距离。探索不同的石墨烯制备工艺,对石墨烯进行有效掺杂复合是以后石墨烯基储氢材料研究的重要方向。

    汽车轻量化材料

    汽车轻量化是节能减排的一个重要方向。研究表明,在不降低汽车刚性和碰撞性能的前提下,重量减轻10%,油耗将相应减少6%-8%。哥伦比亚大学James等测得石墨烯的强度是世界上最好钢强度100倍,利用原子显微镜测量石墨烯的力学性能,其杨氏模量可达0.5TPa,弹性系数为105N/m。

    因为良好的力学性能,加之低密度,使石墨烯可作为提高材料力学性能的增强相,广泛应用于车用轻质复合材料的开发。

    车用功能复合材料

    电加热座椅——

    电加热座椅是体现一辆汽车档次的必备装置之一。石墨烯的导热性,相对于碳纳米管来说更加优秀,深圳市汇北川电子技术有限公司将石墨烯作为增强材料加入聚苯乙烯中,得到的是强度更高、导电导热性能更好、重量却更轻的复合材料。这种复合材料比原本聚合物基体的导热系数高出4倍,而石墨烯独有的超二维纳米结构,可以保证热量在加热区域内均匀释放。将石墨烯运用在汽车智能加热坐垫上,让坐垫受热更加快速、均匀、安全,给汽车用户们带来了更体贴、温暖的座驾感受。图1为汽车智能加热坐垫。

    车身涂装领域——

    石墨烯的高疏水性以及独特的纳米结构,可以将其运用于车用涂料领域,提高防腐效果。青岛格瑞烯金属防护科技有限公司开发出环保型金属防腐前处理新材料—界膜剂。

    该界膜剂利用环境友好型的植酸(植物提取物)基化合物易于在金属表面自组装成膜的特点,经改性处理后再辅以适当的催化剂、钝化剂、缓蚀剂、络合剂以及改性石墨烯纳米添加剂,生产出自组装金属界膜剂,该产品的浓缩液经稀释后可直接替代磷化液,在经过简单的浸泡或喷淋工艺处理后即可在各类钢材表面形成一层植酸基自组装缓蚀界面膜。

    与传统磷化膜相比,该界面膜不仅耐腐蚀性能好,而且与金属外涂装层之间的结合力也显著增强,且产品的各项经济技术指标均优于传统磷化液,可完全替代磷化液,从而解决金属制品行业磷污染的问题。

    石墨烯润滑油

    石墨烯作为新型润滑添加材料具有优秀的机械性能,可在摩擦副表面吸附上一层石墨烯保护膜,具有高效的防磨抗磨的性能:

    ①超强的自修复性能:石墨烯纳米微粒可填充磨损微孔、划痕,对摩擦副表面进行修复功能;

    ②形成强效的润滑保护膜:石墨烯纳米微粒在摩擦表面形成“滚珠轴承”,具有自润滑性能;

    ③石墨烯纳米微粒对摩擦副凹凸表面起填充作用,摩擦化学反应在摩擦副间形成了稳定的第三体,增加抗磨性能;

    ④石墨烯纳米微粒优异的清洁分散性能,可使油品迅速扩散成膜;

    ⑤独有的分水性能,有效防止乳化;

    ⑥优秀的抗氧化性、散热性,有效延长油品使用周期。

    目前开发的石墨烯润滑油有船用润滑油系列和车用润滑油系列,其中车用润滑油系列产品主要包括汽油发动机油、柴油发动机油、燃气机油、装甲车润滑油等。

    汽车电路

    目前,电路技术所用硅晶体管尺寸已经接近了相关物理定律极限,在尺寸方面难有更大突破。研究表明,与硅相比,电子在石墨烯内移动阻力更小,消耗能量更少;同时,基于石墨烯的晶体管尺寸可以更小,从而可实现更高的集成度。

    因此,石墨烯被称之为后摩尔时代取代硅的微电子材料。随着技术的成熟,基于石墨烯的电路完全可以用于汽车。

    车用导电功能塑料

    在汽车燃油供给系统中,以快速紊流方式流动的燃油能产生静电,用于燃油供给系统的部件(包括邮箱,油管接头,过滤器等)需要其导电率能阻止静电堆积,消除火花、爆炸等危险。

    目前,以碳纳米管作为添加剂的导电塑料已成为应用于汽车燃油供给系统。石墨烯具备与碳纳米管相媲美的导电性能,且制备成本更低,完全可以用于导电功能塑料领域。基于石墨烯的导电功能塑料还可以运用于汽车挡泥板、门把手、镜盒等方面,方便车身的静电喷涂,省去了相对于非导电性塑料在静电喷涂前需要进行的表面导电化处理。

    汽车轮胎上的应用

    石墨烯作为橡胶填料生产汽车轮胎,可代替炭黑(CB)、白炭黑(SiO2)、碳纳米管(CNT)等,增强橡胶的拉伸强度、弹性和热导率。石墨烯静电轮胎导电率达到10-3S/m,通过轮胎与金属轮毂嵌合,由轮面接地时段导出车体静电,特别是易燃易爆品运输车使用该轮胎,在轮胎3-5年的使用寿命内可靠消除静电危害,杜绝静电灾难。

    汽车夜视功能

    新型石墨烯材料出现,未来汽车可能有夜视功能。最近,麻省理工大学的研究人员研究出了一种全新的石墨烯半导体材料,有望被用在汽车的前挡风玻璃上,它的作用就是夜视功能。

    原理是将石墨烯应用到热成像设备的芯片中,制成红外传感器,目前,这款紧凑型的传感器已经可以探测到物体的形状了,但还需要进一步提高成像的分辨率,要想这种新型材料真正的实际应用,需要相当长的一段时间。未来如果应用在汽车前挡风玻璃上,那夜晚开车能看到的范围更广,也更清晰,或许对于交通安全也是一大助力。

    结语

    随着汽车工业的发展,“人车生活”的和谐理念逐步为消费者所接受,这对汽车未来发展提出更高的要求,而车用新材料的研发、运用将一定程度上助力于这种要求变为现实。石墨烯作为一种在力学、导电、导热等方面性能优良的新型轻质材料,其在汽车领域已显示了诱人的前景,但距离真正走到应用领域还有一段很长的路,同时存在许多尚未解决的问题,相信随着技术的进步以及石墨烯更多性能的挖掘,其在汽车中的应用前景更加广阔。汽车界人士一定要努力搞好跨界合作,推动石墨烯尽多的在汽车产业上应用。

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重庆制石墨烯产品将改变你的生活
聊聊石墨烯和汽车界那些事

2017-09-14 07:03:16 来源: 0 条评论

2017年石墨烯投资项目签约仪式暨成果发布会举行。记者 李文科 摄

    石墨烯能用来做什么?可折叠的柔性智能手机、可测心率的健康智能手表、可随身携带的透明键盘,不仅这些,如果有一天,你发现人的皮肤也可以用石墨烯来合成,千万不要惊讶。9月12日,5个石墨烯投资项目在中国科学院重庆绿色智能技术研究院举行了签约仪式,总投资额达1075万元。不久的将来,这些涉及到石墨烯在电子信息智能终端、复合材料以及生物医疗等领域的应用产品将纷纷亮相,充实我们的生活。

    石墨烯和汽车工业的结合也是非常紧密的,无论是设计还是制造,石墨烯可谓一直走在最前端,因其具备导电性强,材料最硬、强度超高、导热率超高、透光率超高等性能,被广泛应用于多个领域,誉为“即将颠覆二十一世纪的新材料”,备受各方关注。

全球第一辆采用石墨烯做车身材料的方程式赛车

    石墨烯与富勒烯、碳纳米管、金刚石一起构筑起碳从零维到三维的完整的同素异形体。目前,在汽车领域,作为其同胞兄弟的碳纳米管已经显示出诱人的应用前景,虽然石墨烯及其复合材料在汽车上的应用还比较少,但科学家们正在努力研究其在汽车领域方面的应用。

    汽车储能领域

    电源、电控、电机是纯电动汽车的三大系统。目前,作为电源的储能装置主要有锂离子动力电池、超级电容器和燃料电池,三者均要求其电极材料具备大的比表面积、高的导电性和良好的电化学稳定性,这为石墨烯的运用提供了广阔空间。

    石墨烯在汽车电池中的应用

    石墨烯是一类具有应用前景的锂离子电池负极材料,已经运用到汽车电池研究领域,西班牙一家以工业规模生产石墨烯的Graphenano公司同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池,其储电量是目前市场最好产品的三倍,用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里,而其充电时间不到8分钟。石墨烯聚合材料电池的成本将比锂电池低77%,重量也仅为传统电池的一半。

    2015年上半年,山东玉皇新能源科技有限公司搭建起了第一条新型电池生产线,这款快充型锂电动力电池最大的特点就是加入了石墨烯, 将电芯内阻减小到最小,有效地解决了阻碍锂电池产品快速充电的技术瓶颈,同时大大延长了电池寿命。目前已经投产,主打物流车和观光车市场一块加入石墨烯的“超能”电池,30分钟可充电至最大容量,配备在新能源汽车上续航里程最高可达400公里,并且电池重量大大减轻。

    石墨烯在超级电容器中的应用

    所谓超级电容,是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也有称作“电容电池”。作为储能器件的一种,超级电容器在充放电过程中释放的能量巨大,但功率却只有同重量普通电容器的十分之一。由于超级电容器充放电过程是物理变化,与化学变化的锂电池充放电过程相比,超级电容器可以快成快放,不用担心损伤电池。因此业界专家认为其以上优势可以取代锂电池成功搭载在新能源汽车中。

    南车株机2015年5月单批量交付的世界首列超级电容100%低地板有轨电车,其采用7500F 双电层超级电容,寿命长达10年,充放电次数可达100万次。列车每次进站可快速充电,最大充电时间30秒,最快10秒便能完成充电。2015年10月9日,中国中车株洲电力机车有限公司对外发布消息,自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容问世。经院士专家组评审认定,其代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

    石墨烯在储氢材料中的应用

    在燃料电池领域,氢燃料是未来发展的方向。氢能源在汽车上的应用研究发展很快,通用汽车已推出的第三代燃料电池汽车,车速每小时已可达160km/h,续航里程400km。储氢材料的纳米化是提高储氢能力的一个重要方向。目前,用于储氢的材料,如镧镍系稀土、镁系合金等,价格非常昂贵。而石墨烯因具有纳米结构,同时成本相对较低,是储氢材料的较好选择。

    目前,有关石墨烯储氢的实际研究结果与理论容量仍有一定距离。探索不同的石墨烯制备工艺,对石墨烯进行有效掺杂复合是以后石墨烯基储氢材料研究的重要方向。

    汽车轻量化材料

    汽车轻量化是节能减排的一个重要方向。研究表明,在不降低汽车刚性和碰撞性能的前提下,重量减轻10%,油耗将相应减少6%-8%。哥伦比亚大学James等测得石墨烯的强度是世界上最好钢强度100倍,利用原子显微镜测量石墨烯的力学性能,其杨氏模量可达0.5TPa,弹性系数为105N/m。

    因为良好的力学性能,加之低密度,使石墨烯可作为提高材料力学性能的增强相,广泛应用于车用轻质复合材料的开发。

    车用功能复合材料

    电加热座椅——

    电加热座椅是体现一辆汽车档次的必备装置之一。石墨烯的导热性,相对于碳纳米管来说更加优秀,深圳市汇北川电子技术有限公司将石墨烯作为增强材料加入聚苯乙烯中,得到的是强度更高、导电导热性能更好、重量却更轻的复合材料。这种复合材料比原本聚合物基体的导热系数高出4倍,而石墨烯独有的超二维纳米结构,可以保证热量在加热区域内均匀释放。将石墨烯运用在汽车智能加热坐垫上,让坐垫受热更加快速、均匀、安全,给汽车用户们带来了更体贴、温暖的座驾感受。图1为汽车智能加热坐垫。

    车身涂装领域——

    石墨烯的高疏水性以及独特的纳米结构,可以将其运用于车用涂料领域,提高防腐效果。青岛格瑞烯金属防护科技有限公司开发出环保型金属防腐前处理新材料—界膜剂。

    该界膜剂利用环境友好型的植酸(植物提取物)基化合物易于在金属表面自组装成膜的特点,经改性处理后再辅以适当的催化剂、钝化剂、缓蚀剂、络合剂以及改性石墨烯纳米添加剂,生产出自组装金属界膜剂,该产品的浓缩液经稀释后可直接替代磷化液,在经过简单的浸泡或喷淋工艺处理后即可在各类钢材表面形成一层植酸基自组装缓蚀界面膜。

    与传统磷化膜相比,该界面膜不仅耐腐蚀性能好,而且与金属外涂装层之间的结合力也显著增强,且产品的各项经济技术指标均优于传统磷化液,可完全替代磷化液,从而解决金属制品行业磷污染的问题。

    石墨烯润滑油

    石墨烯作为新型润滑添加材料具有优秀的机械性能,可在摩擦副表面吸附上一层石墨烯保护膜,具有高效的防磨抗磨的性能:

    ①超强的自修复性能:石墨烯纳米微粒可填充磨损微孔、划痕,对摩擦副表面进行修复功能;

    ②形成强效的润滑保护膜:石墨烯纳米微粒在摩擦表面形成“滚珠轴承”,具有自润滑性能;

    ③石墨烯纳米微粒对摩擦副凹凸表面起填充作用,摩擦化学反应在摩擦副间形成了稳定的第三体,增加抗磨性能;

    ④石墨烯纳米微粒优异的清洁分散性能,可使油品迅速扩散成膜;

    ⑤独有的分水性能,有效防止乳化;

    ⑥优秀的抗氧化性、散热性,有效延长油品使用周期。

    目前开发的石墨烯润滑油有船用润滑油系列和车用润滑油系列,其中车用润滑油系列产品主要包括汽油发动机油、柴油发动机油、燃气机油、装甲车润滑油等。

    汽车电路

    目前,电路技术所用硅晶体管尺寸已经接近了相关物理定律极限,在尺寸方面难有更大突破。研究表明,与硅相比,电子在石墨烯内移动阻力更小,消耗能量更少;同时,基于石墨烯的晶体管尺寸可以更小,从而可实现更高的集成度。

    因此,石墨烯被称之为后摩尔时代取代硅的微电子材料。随着技术的成熟,基于石墨烯的电路完全可以用于汽车。

    车用导电功能塑料

    在汽车燃油供给系统中,以快速紊流方式流动的燃油能产生静电,用于燃油供给系统的部件(包括邮箱,油管接头,过滤器等)需要其导电率能阻止静电堆积,消除火花、爆炸等危险。

    目前,以碳纳米管作为添加剂的导电塑料已成为应用于汽车燃油供给系统。石墨烯具备与碳纳米管相媲美的导电性能,且制备成本更低,完全可以用于导电功能塑料领域。基于石墨烯的导电功能塑料还可以运用于汽车挡泥板、门把手、镜盒等方面,方便车身的静电喷涂,省去了相对于非导电性塑料在静电喷涂前需要进行的表面导电化处理。

    汽车轮胎上的应用

    石墨烯作为橡胶填料生产汽车轮胎,可代替炭黑(CB)、白炭黑(SiO2)、碳纳米管(CNT)等,增强橡胶的拉伸强度、弹性和热导率。石墨烯静电轮胎导电率达到10-3S/m,通过轮胎与金属轮毂嵌合,由轮面接地时段导出车体静电,特别是易燃易爆品运输车使用该轮胎,在轮胎3-5年的使用寿命内可靠消除静电危害,杜绝静电灾难。

    汽车夜视功能

    新型石墨烯材料出现,未来汽车可能有夜视功能。最近,麻省理工大学的研究人员研究出了一种全新的石墨烯半导体材料,有望被用在汽车的前挡风玻璃上,它的作用就是夜视功能。

    原理是将石墨烯应用到热成像设备的芯片中,制成红外传感器,目前,这款紧凑型的传感器已经可以探测到物体的形状了,但还需要进一步提高成像的分辨率,要想这种新型材料真正的实际应用,需要相当长的一段时间。未来如果应用在汽车前挡风玻璃上,那夜晚开车能看到的范围更广,也更清晰,或许对于交通安全也是一大助力。

    结语

    随着汽车工业的发展,“人车生活”的和谐理念逐步为消费者所接受,这对汽车未来发展提出更高的要求,而车用新材料的研发、运用将一定程度上助力于这种要求变为现实。石墨烯作为一种在力学、导电、导热等方面性能优良的新型轻质材料,其在汽车领域已显示了诱人的前景,但距离真正走到应用领域还有一段很长的路,同时存在许多尚未解决的问题,相信随着技术的进步以及石墨烯更多性能的挖掘,其在汽车中的应用前景更加广阔。汽车界人士一定要努力搞好跨界合作,推动石墨烯尽多的在汽车产业上应用。

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[责任编辑: 杨奕 ]
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