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中航工业石墨烯及其复合材料研究取得突破性进展(附图)

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2016-01-05 09:36:36  来源:规划发展局、信息中心


石墨烯是一种由碳原子组成的平面薄膜,只有一个碳原子厚度,几乎完全透明。石墨烯复合材料具有强度高、韧性好、导电、导热性能优异等特性,在航空航天、电子、船舶、新能源、环境净化等领域具有广阔的应用前景。

  石墨烯是一种由碳原子组成的平面薄膜,只有一个碳原子厚度,几乎完全透明。石墨烯复合材料具有强度高、韧性好、导电、导热性能优异等特性,在航空航天、电子、船舶、新能源、环境净化等领域具有广阔的应用前景。

图1:石墨烯原子结构

  中航工业高度关注石墨烯等颠覆性新材料对传统材料的影响,以及新型材料对先进装备发展的促进作用。为推进相关领域科技创新,中航工业打破固有研发体制束缚,打造了以年轻博士为主的多学科交叉、技术体系完整、创新研究与应用研究为一体的创新团队,为推进新技术研发和工程应用奠定了基础。十年来,中航工业沿着从实验室研究到工程化研究,再到批产技术研究的路径,系统掌握了高品质石墨烯纳米片、功能化石墨烯和石墨烯薄膜的工业化制备技术。紧抓“创新驱动、需求牵引”的发展思路,围绕“加快基础材料升级换代”的主题,针对现有传统材料不足,充分发挥石墨烯在力学性能、电学性能和热学性能方面的优势,在国际上首次提出了石墨烯隐身材料、石墨烯防弹材料等概念,研究范围涵盖了包括金属、非金属等在内的22类新材料,在我国军事装备、新能源交通工具和环境友好装备等领域展现出良好的应用前景。目前,第一个石墨烯产业化公司已落户天津。

  在环境净化材料领域,中航工业已研制出一系列超轻、强吸附、高过滤的石墨烯海绵、石墨烯气凝胶和石墨烯纤维多孔材料等石墨烯基复合材料。实验数据显示,每1克这类材料能吸附超过100毫克甲醛、二氧化硫、氨气等有毒有害气体,或吸附超过20克对甲基蓝、四氯化碳等有机污染物,对于造成严重污染的烟气混合排放物也具有良好的吸附效果。应用这类材料可制成用于空气净化装置的空气过滤芯、海上油污处理的吸油毡、烟道除尘净化的布袋除尘器或湿式除尘器滤芯等。石墨烯吸附材料可多次回收利用,在空气净化、油污处理、烟气吸附领域具有广泛的应用前景。

  在电池材料领域,中航工业采用石墨烯纳米片、碳纳米管和导电炭黑三元复合,开发出具有超大比表面积、超高导电性能、超多活化点的复合导电浆料,实现了电导率可控和高稳定性。这种导电浆料有效解决了锂离子电池正极材料导电性差、电池低温性能下降等问题,显著提高了电池循环性能。石墨烯应用在高能量密度和高功率密度的锂离子电池中,有助于锂离子电池和清洁能源动力电池等产业的升级发展。

  在导电材料领域,中航工业通过将石墨烯纳米片添加到铝合金、铜合金、钛合金和高温合金等中,增加其拉伸强度和韧性,使合金的热导率、导电性等功能特性得到优化。目前,该研究中心已突破石墨烯铝导体设计及制备技术,制备出同时兼具铝合金导线强度和纯铝电导率的新一代石墨烯铝导线;突破石墨烯铜触头和石墨烯复合铜导线的设计及制备技术,有望在相同输电能力前提下大幅降低高压导线铜材用量;突破石墨烯半导电材料设计及制备技术,制备出了同心高压导线用半导电屏蔽材料。以上原创性技术都已形成发明专利、材料标准和工艺规范等成套技术文件,为实现石墨烯技术在电线电缆材料上的系列化应用奠定了技术基础。

图2:石墨烯的添加对钛合金导热系数的影响

  在电子封装材料领域,中航工业通过将石墨烯纳米片添加到铝合金中,开发出了线膨胀系数可控的新一代高性能电子封装材料。与传统的铝-硅合金相比,这种材料的导热性能提升1倍以上,强度提升90%;与铝-碳化硅材料相比,导热性能提升50%,价格降低一半。这种材料可用于雷达收发模块封装、大功率半导体器件底板等,对相关产业的技术升级具有重要意义。

  下一步,中航工业将在石墨烯材料领域持续开展自主创新研究,并进一步拓展石墨烯在航空航天、能源、电子和生物等领域的应用,未来有望形成多个产业集群,给相关新材料领域带来革命性的变化。

  同时,国资委将进一步跟踪石墨烯及其复合材料技术研究进度,推动中央企业积极参与应用推广,促进相关产业发展和中央企业转型升级。

做好产业规划  推动产业升级
责任编辑:机经网编辑部 heyan
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