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石墨烯讓制造領域再次升級將車輛的塑料部分減重20%
2018-09-07 14:00
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 Andrew Deakin 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，但最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，塑料的最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;最后，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，“最初階段，我們必須找出最具意義的應用場景，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。最近的一份報告指出，在最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。
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