以“奇迹材料”改进增强塑料的奥秘

桑德兰大学与来自意大利、西班牙和德国的等五个研究机构联盟合作，共同成为iGCAuto项目的合作伙伴。该项目集中于分析新的基于石墨烯的聚合物材料的属性，以确定它在用于改善汽车生产中所使用的先进复合材料的作用，特别是关于强度、尺寸稳定性和耐久性。

该项目的提案为Ahmed Elmarakbi教授，他是桑德兰大学汽车工程车辆系计算、工程和技术教授。“石墨烯在汽车工业有很大的应用空间，用它来增强汽车用复合材料将具有巨大潜力。”他说，“目前全球汽车行业面临着巨大的挑战，比如二氧化碳排放和安全问题。”

该项目将探讨使用基于石墨烯的材料在不同的聚合物基纳米复合材料的制备。这种材料将提供诸多好处，例如更强大的强度、尺寸稳定性、更好的热力学性能和阻燃性能（活性阻燃剂和减少燃烧烟雾），以及优异的耐久性。Elmarakbi 教授补充说：“这个项目面临着挑战；其问题不仅是生产以石墨烯为基础的产品，而且包括把它们应用于一个大型的汽车上。”

最近，在2016年1月，马斯达尔科学技术学院（Masdar Institute）和英国曼彻斯特大学推出了一项合作研究计划，内容以包括了石墨烯和二维材料为特色。

图1：2016 年1 月，马斯达尔科学技术学院和英国曼彻斯特大学推出了一个研究计划，内容 以涵盖石墨烯和二维材料项目为特色。

中一个项目将涵盖低密度以石墨烯为基础的纳米复合材料泡沫的工程应用，包括能源领域。该计划还将审视一下基于石墨烯的复合飞机机翼可以多大幅度减少重量，减少雷击损坏的不利影响，及提高燃料的效率和范围。曼彻斯特大学认为，主要部件基于石墨烯的复合材料可能很快被用于建筑、运输或航空航天等行业中。石墨烯复合材料和涂料也可以提高滑雪、自行车等的运动装备，甚至在不久的将来用于一级方程式赛车。

“石墨烯具有大范围领域应用的巨大潜力，我们很高兴能与马斯达尔科学技术研究院在这些重要的领域展开研究合作。”曼彻斯特大学石墨烯业务总监James Baker说，“曼彻斯特大学有235多名研究人员致力于石墨烯的二维材料的研究，通过与马斯达尔的合作将有许多机会进行进一步的研究。”

部位于英国的石墨烯和纳米材料制造商Haydale Composite Solutions（HCS）已经利用石墨烯来提高碳纤维复合材料的性能。

图2：Haydale 与一些最终用户合作，包括出产Mono 超级跑车的BAC 汽车公司。

最近，HCS与SHD复合材料有限公司合作，采用亨斯迈先进材料环氧树脂推出了三个新的石墨烯增强碳纤维预浸料。这些产品包括结构成分碳纤维预浸料；能够用于高压釜加工处理的复合部件生产的原型低压固化碳纤维模具预浸料，以及更高工作温度、用于精确加工的预浸料。

该公司希望加入石墨烯纳米材料后，能够增加碳纤维增强环氧树脂部件的抗冲击性能和压缩性能。这可以使设计人员开发出更轻、更高效的碳纤维增强环氧树脂结构，其中抗冲击是设计考虑的主要因素。这个新的预浸料的应用领域包括航空航天、汽车和体育用品，如自行车框架、钓鱼竿和赛艇。

根据Haydale的报告，更高工作温度的预浸料，也有助于生成具有更高热传导性的工具系统，减少回弹、提高精度，并改善表面光洁度与硬度，具有更好的耐冲击性，增加微裂纹的抵抗力，从而超越了现有的预浸料。

目前新的石墨烯增强预浸料正在进行评估中，对原型产品感兴趣的公司可将其应用在特定的领域。

“它具有真正改变复合材料行业游戏规则的潜力。”HCS的商业总监Nigel Finney 说，“我们对石墨烯增强碳纤维环氧树脂预浸料的结构热性能和机械性能的显著改善感到非常兴奋，并期待着进一步开发出新一代的碳纤维环氧预浸材料。我们相信，我们已经处在基于石墨烯聚合物纳米复合材料的一个全新系列的边缘，它们有着令人激动和独特的性能。我们认为这是复合材料市场最感兴趣并一直在寻找的增强性能。”

该公司还与多家领先的树脂公司以及一些最终用户进行合作， 包括Alex Thomson帆船比赛、60英尺碳纤维增强HUGO BOSS赛艇的制造者和出产Mono超级跑车的BAC（Briggs Automotive Company）汽车公司，从而开发复合材料的应用领域。公司董事总经理Gerry Boyce表示，根据不同的应用，石墨烯可以与玻璃或碳进行混合。“一旦我们将石墨烯加入到树脂，我们可以描述出增强树脂将达到怎样的性能，因为我们是复合工程师，我们理解一个新的石墨烯增强树脂会对整个复合材料的影响。”他对《增强塑料》表示：“一旦你把石墨烯添加到碳纤维中，我们可以看到树脂的机械性能有了相当大的增加，尽管这些增加并不是那么明显。但是，对复合工作师而言其差异已足够巨大了。”

图3：Haydale 正在进行的课题之一是解决雷击问题。

例如，公司已经看到冲击之后的压缩强度增加了50%，这是一个飞机结构的主要设计标准。这意味着能够利用石墨来增强结构，实现更薄、更轻、更低成本结构。

Haydale正在进行的课题之一，是解决雷击（图3）问题。“在这项应用中，通过采用我们的石墨烯复合材料，我们希望使机身材料实现更多的导电性能，避免铜网的使用。”Gerry解释说：“通过开发更多的导电树脂，我们也许可以对构成飞机内部结构的一些材料做些调整，如电脑外壳和舱内结构，那些不像主要结构那样需要大量测试的部位。。”

公司已经设计了一个系统，由此石墨烯粉末混入树脂从而创建一个母料。这令加载材料到了非常高的浓度，例如按重量计25%，从而使之几乎像糊状或糖浆。Gerry说：“随后可以稀释到根据所需机械性能的适当的浓度。”

目前，公司主要集中在环氧树脂上。“然而，毋庸讳言，我们正在不断接近那些想要使用聚氨酯和聚酯的公司，但目前我们主要专注于环氧树脂。”他指出。石墨烯和树脂的混合，可以使用三辊轧机或剪切混合机，如桨式面板搅拌机。第三种方法是使用离心机进行“快速混合”。

除了耐冲击性，石墨烯还可以增加平面内剪切，Gerry说。“但对我们而言，感兴趣的主要领域是提高电力和热学特性，但不损害其他特性，如机械性能。”他补充道，“所以，我们的目标是获得脂树导热系数的六倍，应用在那些需要热量快速进出的结构中。并与电一样：如果你可以增加材料的电磁干扰（EMI）、电磁兼容（EMC）和抗静电及导电性，那么你可以将其应用到有趣的结构市场中，如计算机外壳、防护罩等。”

图4：aydale 公司通过其HDPlas 离子工艺进行石墨稀表面的功能化。

该公司关注的其它特性包括改进树脂的玻璃化转变温度，以便材料能够在稍稍偏高的温度也可以理想地操作，同时公司将能够控制树脂的收缩，通过其从液体变为固体时减少材料容积的变化量。“如果我们可以通过添加石墨烯来减少树就脂的膨胀系数，使其更接近玻璃或碳的膨胀系数，那么在加热和冷却过程中，材料的应力就会减小。”Gerry表示。

总部设在美国俄亥俄州Dayton的Angstron公司，是世界上最大的石墨烯纳米材料生产商。Angstron原材料的生产能力，使其能够满足众多复合应用的大量需求，并能提供规模经济的石墨烯材料。事实上，公司创始人之一的Bor Jang博士，是早在2002年就申请了世界上第一个专利生产纯净石墨烯的人。公司商业开发和工程副总裁Ian Fuller向《增强塑料》谈到，该公司使用石墨烯作为纳米复合材料的填充物。

“在Angstron，我们有复杂的专业知识和设施允许我们制定、鉴定，并生产各种各样的石墨烯增强复合材料。”他说，“有了石墨烯生产技术诀窍，再加上混合和应用经验，使得Angstron在许多行业领域，能够充分利用石墨烯的显着特性，实现一定的规模生产和价位优势。”

石墨烯可以作为纳米复合材料中的多功能填料。通过调整所使用石墨烯的种类、浓度、加工条件及其他协同填料的掺入，能够有选择性地实现用户希望在最终纳米复合材料中所强调的属性。Ian表示。石墨烯具有独特的属性，你可以利用石墨烯纳米复合材料的各种性能特点，如电和/或热导率、机械增强、阻隔性能、透明度等等。他强调说：“石墨烯是一种低密度填料，可以有效地实现系统轻量化的要求。”

据报告有几种方法，可以在聚合物中复合石墨烯。“理想的加工方法是取决于你正在使用石墨烯的类型、聚合物的标准加工参数，以及最终性能，你即所实现的目标。”Ian补充说：“热塑性纳米复合材料的通常是熔融混合或原位聚合的，而石墨烯可通过几种技术分散到热固性塑料中。” Ian认为，要在复合材料中实现所需的载荷水平和均匀性，实现石墨烯材料的全面性能改进是关键。石墨烯加载到母料的配方在很大程度上取决于最终用途。在某些情况下，石墨烯是唯一添加到聚合物中的填料。在其他情况下，其他填料可以提供协同作用，并被纳入。

Ian解释说，石墨烯纳米复合材料的可在使用传统聚合材料的几乎所有应用中使用。“在一些情况下，石墨烯可以作为其他填充系统的替代材料，并提供额外的增强性能。”他表示，“我们正在与我们的合作伙伴和客户合作，开发石墨烯纳米复合材料更多的应用领域，包括添加剂制造、生物医学、电子、汽车、航空航天、消费品等等。”