回顧過(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(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)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(chē)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(chē)技術(shù).回顧過(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(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的效率.

Versarien公司是一支由AndrewDeakin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(chē)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.”

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(chē)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(chē)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.”

預(yù)測(cè)顯示,到2020年,全球汽車(chē)行業(yè)每年的塑料使用量可能高達(dá)600萬(wàn)噸塑料,但zui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zui終用量可能會(huì)有所增加.

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(chē)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);zui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.”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(chē)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(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.zui近的一份報(bào)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(guò)28%均來(lái)自輪胎.”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(chē)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(chē)輛底盤(pán)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.”

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.”

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(chē)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?例如當(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(chē)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.