石墨烯材料有望將車輛的塑料部分減重20%

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(yè)的宣傳中，新技術(shù)總是被冠以“革命性”的描述，但這經(jīng)常是美好的愿望，并非所有人都相信。

然而，對(duì)于一種新興材料而言，只要在“革命性”前面加上“可能”二字，這種描述就非?？陀^了。這就是石墨烯，它“可能”是一種“革命性”汽車技術(shù)?；仡欉^(guò)去，石墨烯材料在 2004 年由英國(guó)北部曼徹斯特大學(xué)的研究人員正式分離出來(lái)，目前仍只是一種只有“十幾歲”的新材料，但已經(jīng)開(kāi)始穩(wěn)步向成熟量產(chǎn)推進(jìn)。未來(lái)十年內(nèi)，石墨烯材料可能將給設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域帶來(lái)巨大改變，包括提升電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛汽車的效率。

Versarien 公司是一支由 Andrew Deakin 博士擔(dān)任首席技術(shù)工程師的先進(jìn)材料工程團(tuán)體，致力于將石墨烯材料的應(yīng)用從理論研究推廣至實(shí)際生產(chǎn)，讓這種新興材料充分發(fā)揮降低重量、強(qiáng)化材料及優(yōu)化電池的作用：“只要使用得當(dāng)，我認(rèn)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(dǎo)電性能，石墨烯材料還有望優(yōu)化電池性能，進(jìn)而顯著延長(zhǎng)電池的使用壽命?！?/p>

作為一種同素異形體，石墨烯是一種石墨（通常用于鉛筆和干式潤(rùn)滑劑）衍生物。目前，距離將石墨烯材料大規(guī)模應(yīng)用至汽車量產(chǎn)中仍需進(jìn)行大量研發(fā)工作。Deakin 博士一直致力于推廣石墨烯在車輛設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用，但也同時(shí)坦誠(chéng)面對(duì)可能的挑戰(zhàn)：“石墨烯在某些場(chǎng)景下的應(yīng)用可能在幾年后能夠?qū)崿F(xiàn)，在其他場(chǎng)景下的應(yīng)用則可能需要十多年，具體時(shí)間通常難以判斷，但我對(duì)這種材料的潛力充滿信心?！?/p>

預(yù)測(cè)顯示，到 2020 年，全球汽車行業(yè)每年的塑料使用量可能高達(dá) 600 萬(wàn)噸塑料，但最終用量可能有所浮動(dòng)：比如，如果通過(guò)添加石墨烯制造更堅(jiān)固、更輕質(zhì)的塑料，并用其替代其他質(zhì)量密度更大的材料，塑料的最終用量可能會(huì)有所增加。

在此背景下，“石墨烯在塑料材料中的應(yīng)用對(duì)環(huán)境和收益的影響”到底是利大于弊，還是弊大于利可能很難評(píng)估。然而，石墨烯不但可以幫助塑料材料減重進(jìn)而降低能耗，還可以同時(shí)優(yōu)化材料的耐撞性能：“現(xiàn)階段的挑戰(zhàn)是盡量將石墨烯應(yīng)用至更多不同類型的塑料中，進(jìn)而更好地理解這種材料可以真正帶來(lái)的優(yōu)化。目前，我們剛剛開(kāi)始對(duì)石墨烯在不同材料和組件中的應(yīng)用進(jìn)行大規(guī)模測(cè)試。”

增強(qiáng)塑料

Deakin 博士及其團(tuán)隊(duì)致力于將塑料強(qiáng)度提高 30％ 以上，從而達(dá)到減少用量但又能達(dá)到同等或更高強(qiáng)度的目的。然而，目前車輛制造中常用的塑料種類高達(dá) 13 種，而所有類型的塑料都必須經(jīng)過(guò)測(cè)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(jìn)各種必需工藝和技術(shù)；最后，我們將優(yōu)化全面測(cè)試，進(jìn)而將小規(guī)模生產(chǎn)推動(dòng)至工業(yè)規(guī)模?！?/p>

目前，Deakin博士已經(jīng)開(kāi)始利用石墨烯材料，優(yōu)化輪胎、復(fù)合車身面板、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(yīng)用場(chǎng)景，也正因如此，我們正在尋求大量行業(yè)專家的幫助。舉例來(lái)說(shuō)，我們可以利用石墨烯將輪胎壽命延長(zhǎng)至現(xiàn)有水平的 1.5 倍，甚至 2 倍，并同時(shí)降低制造過(guò)程對(duì)塑料微粒的需求，這對(duì)保護(hù)環(huán)境極具意義。最近的一份報(bào)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(guò) 28％均來(lái)自輪胎?！?/p>

石墨烯還有助于降低電池的重量和尺寸，進(jìn)而有效延長(zhǎng)電動(dòng)車的續(xù)航里程，并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沖器的耐沖擊強(qiáng)度，另外當(dāng)應(yīng)用至車輛底盤時(shí)，也可以獲得類似的性能提升。當(dāng)然為了取得理想效果，也必須不斷優(yōu)化石墨烯的混合比例。另一方面，石墨烯通常無(wú)法用于鋁材或鋼材的增強(qiáng)，但“直接使用通過(guò)石墨烯增強(qiáng)后的塑料替代這些金屬材料”也是一個(gè)可選的思路。Deakin 博士解釋說(shuō)：“如果使用石墨烯加固塑料，部件的扭轉(zhuǎn)剛度將保持不變，甚至有所提高，且耐沖擊強(qiáng)度也會(huì)提高。因此，預(yù)計(jì)未來(lái)將有越來(lái)越多的場(chǎng)景開(kāi)始使用質(zhì)量更輕的塑料、CFPR 和 GRP 材料?！?/p>

Versarien 在 2014 年收購(gòu) 2D 專家公司，當(dāng)時(shí)后者每天的石墨烯產(chǎn)量?jī)H為 1 克，現(xiàn)今隨著新設(shè)備的投用，公司預(yù)計(jì)將在今年晚些時(shí)候?qū)稳帐┊a(chǎn)量增加到 1 公斤（2.2磅）。對(duì)此，Deakin 博士表示這相當(dāng)于生產(chǎn)要素增加了 1000 倍。簡(jiǎn)單計(jì)算，如果每臺(tái)設(shè)備的日均產(chǎn)量可以提升至 10 公斤（22 磅），則 100 部設(shè)備即可將公司的單日產(chǎn)量提升至 1 噸。Deakin 博士補(bǔ)充說(shuō)，“此外，在顯著優(yōu)化塑料性能時(shí)，我們還必須控制加入塑料的石墨烯用量（可能只有 1％或更少），這點(diǎn)非常重要?！?/p>

Deakin 博士對(duì)石墨烯生產(chǎn)設(shè)備及其工作方式的細(xì)節(jié)三緘其口，僅表示塑料廠家可以在現(xiàn)有生產(chǎn)車間中輕松安裝這種設(shè)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(guò) 5 層、90％的鱗片均不超過(guò) 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(kāi)始應(yīng)用之前必須考量的重要問(wèn)題。Deakin 博士認(rèn)為，石墨烯的出現(xiàn)將使舊塑料“重?zé)ㄐ律保ɡ绠?dāng)塑料因紫外線照射出現(xiàn)退化時(shí)），也就是保持其原始特性或性能，重新進(jìn)入供應(yīng)鏈。

然而，我們?nèi)孕杳媾R一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題：即“通過(guò)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(shuō)：“我們預(yù)計(jì)，通過(guò)使用我們的技術(shù)，這種石墨烯解決方案將在未來(lái)幾年中真正具備成本效益，大約需要五年時(shí)間。”

那么，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(shí)間來(lái)驗(yàn)證了。