石墨烯粉體

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石墨烯材料在運輸行業中的應用廣泛,竟然也走向電動化

2021-07-28 12:42:30

    石墨烯已成為世界上最 有前途的新材料之一。薄而堅固,具有出色的導熱和導電能力,它已經在運輸行業的許多不同領域找到了用途。
    有幾種制造石墨烯的方法,這需要非凡的純度和質量。第 一個過程稱為化學氣相沉積(CVD),可減少甲烷中的碳原子數。

通過控制條件,原子在載體上排列成六邊形晶格,將石墨烯轉移到更有用的平臺上,如硅、塑料或石英。
    對于其他應用,例如復合材料,需要塊狀石墨烯薄片與油漆和墨水一起使用。這些薄片是使用一種稱為液相剝離的工藝制造的,這種方法使用超聲波來振動石墨并分離石墨層。
    石墨烯也可以按需制造,特別是在傳感和過濾方面的應用。化學家可以修改它的結構并制造原子級精 確的孔——微觀篩——或添加與感興趣的化合物選擇性反應的官能團。
    就其特性而言,石墨烯比人的頭發細一百萬倍,是世界上最 薄的材料。盡管只有一個原子厚,但它比鋼和金剛石更堅固,因此可以在具有出色剛度和耐用性的復合材料中進行多種應用。
    這種物質也非常靈活,是電和熱的良好導體。事實上,一些生產商已經利用這兩種特性來制造用于電子電路的導電油墨和涂料以及散熱的凝膠,從而確保電池的使用壽命更長。
    最 后但并非最 不重要的一點是,石墨烯只是一層碳原子,非常輕。再加上其卓越性能的組合,使石墨烯成為開發新的、改變游戲規則的技術的可靠起點。此外,它還改進了現有技術,尤其是在運輸行業。
    運輸用石墨烯
    汽車輪胎制造商已經在胎面、墻壁和內襯中使用石墨烯,以減輕重量、提供更好的抓地力并降低滾動阻力。
    RIXON-003石墨烯涂層,Margi 的熱賽車涂層,提高了賽車部件的散熱性能。其中包括制動鉗和散熱器,這項技術已經應用于官方摩托車世界錦標賽比賽,如超級摩托車和摩托車錦標賽。它具有微米級厚度,可應用于非摩擦表面上的各種金屬材料,確保改善熱擴散,減少 20-25% 的熱耗散。
    石墨烯在頭盔中也發揮著至關重要的作用。研究人員已經將石墨烯作為頭盔的外殼上的涂層。這可以更好地分配沖擊力,使佩戴者不易受傷。
    這甚至可以在高溫條件下工作,因為涂層的導熱性能也有助于快速散熱。這不僅可以保護內部材料免受熱量引起的降解,還可以為賽車應用中的用戶提供更多舒適度。
    這項技術正在引領未來石墨烯頭盔的發展。研究人員現在正在將石墨烯添加到頭盔的內部塑料材料中,目的是通過更薄的設計實現相同水平的安全性,同時提高佩戴者的舒適度。
    航空航天中的石墨烯
    除了在地面上,石墨烯還在飛機產品和設備的設計中發揮著至關重要的作用。
    只需要少量的石墨烯就可以顯著提高材料的熱導率。該AEROGrAFT先鋒項目,倡議開展的石墨烯旗艦,是生產其目的是為了減少飛機的航空材料過濾器的清洗時間“加熱”航空石墨烯泡沫,節省維護成本和停機時間。石墨烯泡沫采用石墨烯的均勻熱分布特性開發,可確保熱量均勻地流過整個空氣過濾器,從而在所有空氣過濾器表面產生一致的清潔效果。自清潔過濾器還可以重復使用相同的石墨烯泡沫進行循環清潔,而不會失去穩定性。
    然而,通過熱解去除過濾器殘留物——通過快速加熱過濾器以消除(清除)所有雜質——并不是該技術可以解決的唯 一問題。飛機機翼、螺旋槳和其他表面上積冰也是嚴重的環境危害,可以通過石墨烯的集成來解決。
    事實上,它是一種理想的材料,可以在不影響空氣動力學特性的情況下保持飛機部件無冰。基于各個合作伙伴在早期研究階段所做的工作,基于石墨烯的防冰系統已經在開發中,盡管到目前為止技術準備水平較低。
    石墨烯旗艦項目的另一個先鋒項目,基于石墨烯的熱電防冰系統 (GICE),正在推進這項技術的準備工作。通過使用超薄導電涂層在通電時產生熱量,熱電防冰系統可防止飛機的控制受到危險的影響。
    在這些系統中,石墨烯能夠精 確控制發熱,以確保防冰系統始終處于最 佳狀態,保持飛機部件無冰,同時不影響空氣動力學特性。這些特性將有助于 GICE 項目加速航空航天業向更安全、更環保的飛行邁進。
    走向電動化
    石墨烯技術也正在新興的電動汽車 (EV) 市場中部署。世界各國政 府都在投資基礎設施以支持電動汽車充電,以及投資電網以提供電氣化。然而,目前電動汽車中的現有電池在充電、續航和成本方面存在問題。
    例如,2020 年 Nissan Leaf的續航里程約為 150 英里(240 公里)。雖然這有利于市區駕駛,但它對長途駕駛或寒冷天氣提出了挑戰。事實上,AAA 的一項研究發現,當溫度降至 -6.7°C (20°F) 且加熱器正在運行時,車輛的續航里程會下降 41%。
    公司正在努力改進電動汽車的電池技術,其為期三年的項目涉及由 60 至 90 個電池電動汽車電池組成的汽車電池模塊原型。
    在其基于石墨烯的汽車應用高能電池 (GreenBAT) Spearhead 項目中,研究人員正在推進有關由硅/石墨烯復合材料組成的電池負極的現有技術。
    所述石墨烯主打和其工業伙伴的基礎上獲得專利的石墨烯制造和硅/石墨烯復合過程中的電池技術。到 2025 年,材料、電池和組件的所有目標規格都將與可預見的最 先 進組件競爭。
    到那時,最 終的模塊原型預計將提供 1,000 次循環的使用壽命,其中壽命結束后的容量保留率為 80%,提供近 280,000 英里(450,000 公里)的總行駛里程。
    更安全的自治
    自動駕駛汽車是汽車制造業的另一個重點。目前,自動駕駛汽車使用可見攝像頭,但在黑暗或惡劣天氣條件(如雨、霧或雪)中行駛時,這些攝像頭會出現問題。
    未來的自動駕駛汽車必須使用激光雷達傳感器,依靠脈沖激光技術來測量距離并不斷掃描周圍區域。然而,與新一代成像系統的潛力相比,這是一種相對緩慢的處理技術。
    Autovision 是另一項舉措,它正在開發一種超越當前能力的新型高分辨率圖像傳感器。
    使用高分辨率傳感器,即使在極端和困難的駕駛條件下,自動駕駛汽車也可以檢測障礙物和道路曲率。該項目將確保自動駕駛汽車的安全部署,因為畢竟自動駕駛的成功在很大程度上取決于對迫在眉睫的危險的瞬間反應的成功。
    該計劃是在原型傳感器系統中生產互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 石墨烯量子點圖像傳感器,為汽車領域的應用做好準備。
    在 2020 年開始的為期三年的項目中,開發中的圖像傳感器將在靈敏度、操作速度和像素尺寸方面取得巨大飛躍。
    最 近,CMOS 集成電路與石墨烯的單片集成實現了高分辨率圖像傳感,可檢測紫外線、可見光、紅外線甚至太赫茲頻率。該傳感器的紅外視野(有效夜視)意味著相同的石墨烯 CMOS 傳感器可用作自動駕駛汽車的自動制動系統的一部分,特別是在惡劣天氣下。
    這種防撞系統將成為石墨烯的重要應用。一種將有助于未來更廣泛地采用自動駕駛。事實上,正是這樣的技術正在塑造未來產品的使用方式,因為航空航天和汽車行業的應用使用石墨烯來徹底改變運輸行業。

該石墨烯旗艦帶來創新走出實驗室,進入商用應用。它包括來自 21 個歐洲國家的近 170 個學術和工業合作伙伴。
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