回顧過去,石墨烯材料在2004年由英國北部曼徹斯特大學的研究人員正式分離出來,目前仍只是一種只有“十幾歲”的新材料,但已經開始穩步向成熟量產推進.未來十年內,石墨烯材料可能將給設計和制造領域帶來巨大改變,包括提升電動汽車和自動駕駛汽車的效率.

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.在汽車行業的宣傳中,新技術總是被冠以“革命性”的描述,但這經常是美好的愿望,并非所有人都相信.然而,對于一種新興材料而言,只要在“革命性”前面加上“可能”二字,這種描述就非常客觀了.這就是石墨烯,它“可能”是一種“革命性”汽車技術.回顧過去,石墨烯材料在2004年由英國北部曼徹斯特大學的研究人員正式分離出來,目前仍只是一種只有“十幾歲”的新材料,但已經開始穩步向成熟量產推進.未來十年內,石墨烯材料可能將給設計和制造領域帶來巨大改變,包括提升電動汽車和自動駕駛汽車的效率.

Versarien公司是一支由AndrewDeakin博士擔任首席技術工程師的先進材料工程團體,致力于將石墨烯材料的應用從理論研究推廣至實際生產,讓這種新興材料充分發揮降低重量、強化材料及優化電池的作用.“只要使用得當,我認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,憑借卓越的導電性能,石墨烯材料還有望優化電池性能,進而顯著延長電池的使用壽命.”

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滑劑)衍生物.目前,距離將石墨烯材料大規模應用至汽車量產中仍需進行大量研發工作.Deakin博士一直致力于推廣石墨烯在車輛設計和制造中的應用,但也同時坦誠面對可能的挑戰:“石墨烯在某些場景下的應用可能在幾年后能夠實現,在其他場景下的應用則可能需要十多年,具體時間通常難以判斷,但我對這種材料的潛力充滿信心.”

預測顯示,到2020年,全球汽車行業每年的塑料使用量可能高達600萬噸塑料,但zui終用量可能有所浮動:比如,如果通過添加石墨烯制造更堅固、更輕質的塑料,并用其替代其他質量密度更大的材料,塑料的zui終用量可能會有所增加.

增強塑料

Deakin博士及其團隊致力于將塑料強度提高30%以上,從而達到減少用量但又能達到同等或更高強度的目的.然而,目前車輛制造中常用的塑料種類高達13種,而所有類型的塑料都必須經過測試程序.

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,我們必須改進各種必需工藝和技術;zui后,我們將優化全面測試,進而將小規模生產推動至工業規模.”目前,Deakin博士已經開始利用石墨烯材料,優化輪胎、復合車身面板、CFRP材料及電池的性能.

他表示,“zui初階段,我們必須找出zui具意義的應用場景,也正因如此,我們正在尋求大量行業專家的幫助.舉例來說,我們可以利用石墨烯將輪胎壽命延長至現有水平的1.5倍,甚至2倍,并同時降低制造過程對塑料微粒的需求,這對保護環境極具意義.zui近的一份報告指出,在zui終傾倒至海洋的直徑不到1mm的塑料微粒垃圾中,有超過28%均來自輪胎.”石墨烯還有助于降低電池的重量和尺寸,進而有效延長電動車的續航里程,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度,另外當應用至車輛底盤時,也可以獲得類似的性能提升.當然為了取得理想效果,也必須不斷優化石墨烯的混合比例.另一方面,石墨烯通常無法用于鋁材或鋼材的增強,但“直接使用通過石墨烯增強后的塑料替代這些金屬材料”也是一個可選的思路.

Deakin博士解釋說:“如果使用石墨烯加固塑料,部件的扭轉剛度將保持不變,甚至有所提高,且耐沖擊強度也會提高.因此,預計未來將有越來越多的場景開始使用質量更輕的塑料、CFPR和GRP材料.”

Versarien在2014年收購2D專家公司,當時后者每天的石墨烯產量僅為1克,現今隨著新設備的投用,公司預計將在今年晚些時候將單日石墨烯產量增加到1公斤(2.2磅).

對此,Deakin博士表示這相當于生產要素增加了1000倍.簡單計算,如果每臺設備的日均產量可以提升至10公斤(22磅),則100部設備即可將公司的單日產量提升至1噸.Deakin博士補充說,“此外,在顯著優化塑料性能時,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),這點非常重要.”

Deakin博士對石墨烯生產設備及其工作方式的細節三緘其口,僅表示塑料廠家可以在現有生產車間中輕松安裝這種設備.

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5層、90%的鱗片均不超過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始應用之前必須考量的重要問題.Deakin博士認為,石墨烯的出現將使舊塑料“重煥新生”(例如當塑料因紫外線照射出現退化時),也就是保持其原始特性或性能,重新進入供應鏈.

然而,我們仍需面臨一個長期存在的問題:即“通過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:“我們預計,通過使用我們的技術,這種石墨烯解決方案將在未來幾年中真正具備成本效益,大約需要五年時間.”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?這就需要時間來驗證了.