2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家Andre Geim 和Konstantin Novoselov 成功在实验中从石墨中分离出石墨烯， 共同获得2010 年诺贝尔物理学奖。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，比钢的强度高100 倍，但是重量要轻很多。自这种材料被发现以后，研究人员就开始尝试将其添加到聚合物复合材料中，希望可以提升材料的物理性能。
经过近十年的研发，人们在应用级石墨烯复合材料研究方面取得了较大的进展，但是这项技术依然处于不成熟的阶段。不久前，一项由欧盟资助的iGCAuto 开创性研究项目开始对石墨烯基纳米复合材料展开研究，希望有一天可以给汽车工业带来革命性的改变。该项目为期18 个月，总投入1100 万美元，项目资金来自欧盟的“十年十亿欧元石墨烯旗舰计划”，主旨为开发高性能石墨烯复合材料，可以帮助汽车结构件降低三分之一甚至更多的重量。
先进复合材料被普遍认为是降低车重、提升燃油效率的有效方式，但是重量减轻的汽车往往在碰撞中的表现并不理想。因此，必须采取新的方式来提高复合材料的碰撞性能。石墨烯复合材料可能就是解决这个问题的答案。
iGCAuto 研究项目将在英国桑德兰大学、意大利FIAT 中心、德国Fraunhofer ICT、西班牙Interquimica 和意大利Nanesa 和Delta-Tech 等研究机构建立六个研究小组。
通过石墨烯减重
“石墨烯在汽车行业中有巨大的应用空间，通过这种材料来提高车用复合材料性能具有很大潜力，”桑德兰大学车辆工程教授Ahmed Elmarakbi 说道。Elmarakbi 教授还负责撰写了iGCAuto 项目的最初提案。
iGCAuto 项目与其他研究项目的不同在于其创新的开发方式和远大的目标。
“我们计划采用一种全新的方式来利用石墨烯增强聚合物复合材料，希望将今天以钢为主的汽车底盘和白车身重量降低30%-50%，”Elmarakbi 说道。“五到六年后，减重力度有望达到70%。”
采用石墨烯复合材料的零部件不仅重量更轻，还可以大大降低产品的壁厚。
研究人员将对新材料进行深入的开发和建模分析，以提升材料的强度、尺寸稳定性、热力学性能以及阻燃性。减少烟雾排放和超高的耐久性也是研发的目标，这两个性能对提升车辆和乘员安全性至关重要。
Elmarakbi 还透露，研究人员将利用日本国家材料科学研究所首席研究员、埃及科学家Sherif El-Safty 开发的创新纳米催化剂及独特的石墨烯基纳米复合材料。“虽然目前还处于初期阶段，而且还要对整个概念进行充分的验证，但是我对合作充满信心，相信可以取得丰硕的成果，”Elmarakbi 说道。
研究小组希望研究出一个增强的聚合物基体，其化学成分经过改进，对原子位置和连接方式作出调整，来获得不同的物理性能。“一旦这个聚合物基体开发成功，我们会在其中加入石墨烯氧化剂，形成吸能效果更好的复合材料（通过微裂纹和碎裂方式），可以提供碰撞中和极端负载下抗冲击动态性能，”Elmarakbi 说道。“从本质上看，我们会赋予石墨烯氧化剂表面独特的功能， 从而改变氧化剂与增强聚合物基体之间的互动。”
新设计与量产
Elmarakbi 还表示， iGCAuto 成员还会改变复合材料生产的方式。“我们目前正在评估不同的加工工艺，包括增强体在聚合物基体内的随机分散工艺以及取向叠层工艺。”
“我们的目标是通过先进超轻石墨烯聚合物材料的开发和优化、高效的生产加工工艺以及生命周期分析，将这些新材料的概念与最新的安全设计方法相结合，来减少未来车辆对环境的冲击，”Elmarakbi 说道。项目的另一个目标是降低成本。在欧盟提议中，减重所需的成本约为每公斤24 美元。Elmarakbi 指出， 初步的研究显示最终可能不会在已有材料的基础上增加任何成本。
石墨烯研发
“该项目有望帮助我们更快地将石墨烯及相关材料从实验室推向市场，让占世界领先地位的石墨烯科学转化为技术，开启石墨烯产业化进程，” 英国剑桥石墨烯研究中心主任及旗舰石墨烯项目主席Andrea Ferrari 工程师如此说道。
“有关石墨烯复合材料的实验最早是在2006 年，但是相关研究依然还处于起步阶段，”他介绍道。许多基本的问题还没有解决，比如加工路径和材料取向等，不过在细分市场的一些应用机会已经初露倪端。“比如海德牌网球拍就在其某些产品上采用了石墨烯复合材料。”
石墨烯本身的量产最近也取得了较大的进步——由都柏林三一学院化学物理系教授Jonathan Coleman 率领的一个研究小组发明了一种通过液态工艺来大规模生产石墨烯的方法。
“之前人们制取石墨烯采用‘简单直接’ 的方式， 量很少， 效率很低，”Coleman 说道。“ 我们后来发现可以采用搅拌器的原理来制取石墨烯，也就是通过液体的剪切应力来分离石墨烯的片层结构。”石墨——也就是铅笔的铅芯，其实就是多层石墨烯的堆叠。
“我们开发了一个更加实用的方法，首先将石墨烯混合在溶剂（通常是水）和脂肪酸盐中，”Coleman 解释道。然后采用超声搅动来分离片层，就好像是用手轻推一叠扑克牌的侧面，将其一张张分开一样，这种方式所需能耗很低。“我们将这种工艺授权给了一家公司使用，”他透露，同时指出这种液态剥离技术适用于任何两维的材料，也就是由很长、很宽，但是很薄的基体组成的材料。
石墨烯正是这种所谓两维材料中最广为人知的代表性材料。“已知的二维材料已经有500 多种，包括有机硅、氮化硼、碳化硅、稀土、过渡金属硫化物和卤化物、人工合成有机物等。”Ferrari 说道。
他还指出：“石墨烯应用潜力巨大。石墨烯聚合物复合材料的强化性能将给石墨烯带来巨大的应用机会。即使添加少量的石墨烯也可以使材料的物理性能提升两倍甚至三倍。可以说，如果五年内还没有石墨烯复合材料被大量使用，这说明整个产业肯定出了问题。”
2/10/2015
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