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石墨烯或能为航空航天器带来革命性变革

时间:2015-05-13 13:52来源:东方早报 作者:崔凤娇
点击: 次
 石墨烯纳米片材料主体用于锂电池正、负极材料，随着环境保护电动车的市场占有率和容量扩大，预计实现规�；陀τ弥溉湛纱�。中航工业北京航空材料研究院首创“石墨烯增强金属基纳米复合材料”，不但发明了一类具有优异性能的新型高端金属基纳米复合材料，该材料或还将对未来航空航天器带来革命性变革。
 

（图片来自网络）
 
　　石墨烯在航空航天领域有诸多应用，而中国航空工业集团是中国在该领域的代表力量，故而其在石墨烯领域的进展往往较一般研发实体更为人所关注，他们取得了什么成绩，他们的研发体制是什么样的，为此记者联系采访了中航工业北京航空材料研究院石墨烯研究团队（下称航材院）。
　　据航材院团队成员介绍，目前它们具备完全自主知识产权的石墨烯纳米片批量化制备的全套工艺技术及专用设备，建立了产能100吨/年的石墨烯纳米片全自动化生产线，获得4层以下的石墨烯纳米片，单层率大于90%，并具有极大比表面积和良好的分散性。在此基础上针对其在储能、环境等领域的应用制备了多种功能化石墨烯，包括羟基化石墨烯、羧基化石墨烯、镀银石墨烯、镀铜石墨烯、负载磁性粒子石墨烯、半导体杂化石墨烯等。开发了各类石墨烯宏观体，包括石墨烯纤维、石墨烯海绵、石墨烯气凝胶、石墨烯同轴纳米线、石墨烯织物等。
　　航材院具备批量制备大尺寸、高质量化学气相沉积（CVD）石墨烯薄膜的完全自主知识产权的全套制备技术及专用设备，突破了反应源气体与载气压配比、化学气相沉积（CVD）反应室炉温均匀性、转移介质和载体匹配性、目标物与石墨烯薄膜兼容性等多项关键技术，解决了国产铜箔表面状态匹配性和多层模具设计和装配问题，提高了石墨烯薄膜的产品质量及产量，获得的石墨烯薄膜最大尺寸300mm×300mm，透光率93%以上，方块电阻300-500欧，层数1-5层并可控，形成年产十万片石墨烯薄膜（300mm×300mm）的生产能力。
　　此外，在传统化学气相沉积（CVD）制备方法基础上，通过集智攻关，设计制造出规�；┝∧さ幕喑粱–VD）原理样机（Roll-to-roll设备），该设备可实现长度不限的石墨烯薄膜的连续工业化制备，为石墨烯薄膜规�；於ɑ�。
　　关于石墨烯材料在锂电池中的应用，航材院表示，在提升传统锂电池性能方面，基于自主研发、生产的易分散、大比表面积的高品质石墨烯纳米片，针对航空、航天和汽车领域对高能量存储密度和高功率密度电池的需求，研制了石墨烯改性LiFePO4/liMnPO4锂离子电池正极材料和石墨烯改性锂离子电池负极材料，组装了石墨烯锂离子电池典型测试试样，石墨烯的添加显著提高了锂离子电池的能量密度和功率密度，减小了电池充电时间，提高了电池续航能力，石墨烯锂离子电池展现出优异的循环特性。
　　石墨烯在航空航天领域有广阔前景，在这方面航材院收获颇丰。
　　航材院团队成员称，基于铝基石墨烯材料的研究，利用石墨烯高强、高模量的特性，以及航材院生产石墨烯粉末品质高、比表面积大和易于分散的特点，成功研制出700MPa级别以上的石墨烯铝基复合材料，以及弹性模量95GPa以上石墨烯铝基复合型材。航材院首创“石墨烯增强金属基纳米复合材料”，不但发明了一类具有优异性能的新型高端金属基纳米复合材料，该材料或还将对未来航空航天器带来革命性变革。首次利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）等现代材料表征手段对石墨烯增强金属基纳米复合材料的微观组织结构进行表征，并测试其拉伸性能。结果表明：石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中，与基体形成良好的原子尺度结合界面，且石墨烯纳米片与铝合金基体未发生化学反应，并保留了原始的纳米片结构。例如，向铝合金中添加质量分数仅为0.3%的石墨烯纳米片时，其屈服强度和抗拉强度分别达到322MPa和455MPa，较未添加石墨烯纳米片的铝合金分别提高58%和25%，且铝合金的伸长率没有降低。
　　在以上领域之外，航材院还有突破。譬如，航材院基于铝基和钛基石墨烯材料的研究基础，利用石墨烯超高导热的特性，以及航材院生产石墨烯粉末品质高、比表面积大和易于分散的特点，充分发挥石墨烯导热性能，在保证工艺性能和线膨胀要求的同时，成功研制出导热率大于210 W/moK的石墨烯电子封装材料，相比技术指标提升一倍，弯曲强度提升3倍，弹性模量提升50%。
　　另外，石墨烯增强铝、铜基纳米复合材料在电线电缆导体上的应用研究基于前期石墨烯增强铝、铜基纳米复合材料的研究基础，针对航空、航天和电子等领域对超高频射频电缆、超高压电缆和耐蚀电缆的需求，开展了石墨烯在电线和电缆领域的应用研究，获得了不同规格的石墨烯增强铝、铜导线和电缆等典型样件，石墨烯可以显著提高电缆材料的强度、韧性和耐蚀等性能。
　　其次，在其他复合材料、环境净化材料等方面的应用，航材院采用一种独特的制备技术，制备了超轻石墨烯纤维增韧膜，对复合材料的增强增韧具有极其显著的效果；中航工业航材院研制出了一种强吸附、高过滤的石墨烯环境净化材料，在空气净化、油污处理领域具有极强的应用价值；中航工业航材院通过对石墨烯纳米片改性，并通过特殊的制备工艺研制出了性能优异的石墨烯/聚合物导电导热材料，并制备了结构功能一体化器件，在航空、航天、电子等领域具有广阔的应用空间。
　　作为军工集团下属的研发机构，航材院的研发体制与一般企业肯定有不同之处，据其介绍，航材院组建了跨单位、跨专业的石墨烯研究机构——石墨烯及应用研究中心。
　　航材院石墨烯中心按项目管理，建立了快速响应机制，减少了管理层级。航材院石墨烯中心由30多名以博士为主的年轻科研人员组成研究团队，专业涵盖物理、化学、材料、工艺、性能表征与评价等多个领域，是一个跨学科、跨专业的高度融合的创新研究团队，便于创新思想碰撞和集智攻关。航材院自筹经费设立专项研发基金，为石墨烯专项研究提供必要的经费支持，避免因科研人员按部就班申请各类科技计划造成研究周期较长从而失去研究先机；同时中航工业也通过集团创新基金经费倾斜，给航材院石墨烯专项研究提供了研究经费补充。航材院在石墨烯研究的实验室条件和手段方面给予优先支持，成立专项保障组，快速建立和配备实验室和生产线所需的厂房、工艺设备、原材料和测试条件，保证了基本的研究需要。
　　最后关于石墨烯技术的高端技术的规�；τ茫讲脑焊隽俗约旱氖奔浔恚菏┍∧ぬ娲粑趸鳎↖TO）作为下一代电子产品的高性能低成本透明导电薄膜，随着手机领先应用并投放市场，若取得一定技术突破，预计大规模上市不会太久。
　　石墨烯纳米片材料主体用于锂电池正、负极材料，随着环境保护电动车的市场占有率和容量扩大，预计实现规模化生产和应用指日可待。石墨烯纳米片改性金属基复合材料作为轻质高强结构材料，以及石墨烯纳米片增强增韧树脂基复合材料作为结构功能一体化材料，随着下一代飞机和发动机的发展，在不久的将来，可以形成规模化生产和应用。
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