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石墨烯复合材料

石墨烯的产业应用的领域就是复合材料,因为复合材料的产业体量非常大,应用的范围也非常广泛,可以从军用到民用,更可以与未来的新能源汽车,无人飞机,电动游艇,快艇的制造材料配合。

在所有的工程塑料中,碳素高分子树脂的综合物性能是较好的,相同的原子结构也使得碳素高分子树脂也很容易与石墨烯混合,达到理想的刚性,韧性与散热性。在我们初步的实验中,添加了千分之二点六的一至五层石墨烯,可以提高抗撞击强度,刚性35%。在下一步的实验中我们将通过添加高纯度,高比例的石墨烯粉末,以达到更高应用层面的材料。

碳素高分子树脂性能参数

密度 1.03 克/cm立方
缺口冲击强度(零下40度)   100-400J/m   (室温)  80-160 J/m
屈服伸长率 5 %-10%
热变形温度  115-118 °C (Load : 18.5 kg/cm2)
玻璃化转变温度 165 °C
线性热膨胀系数 79.10-6 m/m/°C
(根据配方、温度、和发泡倍率的不同,物理性能会有所差异)

材料性能

高分子树脂配方原料着色效果好、力学性能优异,可实现制品形状的自由设计且成型周期自由调整。材料性能见上表。添加了石墨烯的碳素高分子树脂材料除了拥有上表所描述的高力学性能外,还具有优异的耐候性、耐磨性、表面涂饰性、电绝缘性、耐酸碱性及防水性。

石墨烯复合材料测试的样品

上图:石墨烯复合材料测试的样品

石墨烯复合材料

高分子复合材料产品与其它材料产品性能比较

1.高分子复合材料材料的密度与ABS材料比较接近,比FRP、SMC两种材料轻便。(重量轻)
2.高分子复合材料的拉伸性能优于ABS ,但与FRP差距较大。
3.高分子复合材料材料的屈服应变性能比其他三种材料要更为优异。
4.高分子复合材料是一种轻质的、兼具高强度和高韧性的优异材料。

性能 密度g/cc 拉伸强度(MPa)
拉伸模量 (GPa) 弯曲强度 (MPa) 弯曲模 量,Ksi (GPa) 屈服应变 热变形温度℃
18.5kg/cm
板撞 击(ft-lbs)
材料
高分子复合材料产品 1.03 46.8 1.9 70 1.88 4.7 119 34.1
ABS 1.05 29.6 1.9 52 1.81 2 78 6.6
FRP 1.43 72.3 8.08 92 6.07 1.3 15.9
SMC 1.84 32.4 9.9 82 6.79 0.6 4.6

应用领域

军工制品
1.军工制品

添加了石墨烯的复合材料可以大大增加材料的抗撞击性,还提高了相当的轻量化,在部队装备上有很大的用武之地,包括空投箱,子弹箱,更可以广泛应用在装甲车辆上,替代钢铁部件,还可以制作防弹头盔,防弹背心;登陆舰艇,从而满足轻量化,抗撞击,防弹的特殊要求。

游艇,皮划艇
2.游艇,皮划艇

伴随我国生活质量的提高,以及海南国际旅游岛和沿海发达地区的旅游设施规划建设,未来几年我国舰船行业将有一个较大的发展。目前,舰船所用的玻璃钢材料刚性低不环保,而石墨烯复合材料属于高刚性环保。

新能源汽车与电动卡丁车外观件
3.新能源汽车与电动卡丁车外观件

石墨烯复合材料可代替金属或玻璃钢而应用于新能源汽车车辆壳体及其他部件,其优点是:质量轻,转运、组装更省力,并且可降低生产线上工人的劳动强度、降低车辆燃油消耗及提高车辆载荷量;投资小,生产周期短,见效快;车辆壳体可实现外观自由设计,使其更加多样化、个性化;壳体喷漆前几乎不经过任何处理就可达到A级表面粗糙度;着色性、电镀性及抗老化性优异。,真正实现车辆改装的时尚化需求。在越野车以及北美皮卡车外观装饰件的开发上具有极大的市场前景跟成本优势。用作汽车零部件,如保险杠、缓冲板、仪表板、挡泥板等。

污水净化槽
4.污水净化槽

随着水污染问题的日益严重,各个国家都出台了相关政策,要求生活、生产污水自产自治、循环利用,因此对污水净化槽的需求量剧增。目前,污水净化槽多采用玻璃钢制造,而玻璃钢存在生产效率低、工作环境差,以及对环境污染严重等缺陷,因此一些发达国家已禁止使用玻璃钢净化槽。在这种情况下,急需一种材料来替代玻璃钢,而石墨烯复合材料材料以其一系列的优异性能引起了污水净化槽应用领域的关注:属于“环境友好材料”;优异的耐腐蚀性保证了其较长的使用寿命;高强度保证了其可承受足够的水压,可制备大型的、不同厚度的且结构复杂的模塑产品;生产自动化程度高,降低了劳动力成本。

氯碱行业的设备管道
5.氯碱行业的设备管道

氯碱生产过程中同时存在盐水腐蚀、碱腐蚀、酸腐蚀和氯气腐蚀等,成为腐蚀的重灾户,而我国氯碱的年需求量达上千万吨,因此急需防腐材料提高设备的抗腐蚀性,延长设备的使用寿命,保证安全稳定的连续生产。氯碱装置常用的材料有碳钢、铸铁、不锈钢、铜及铜合金、镍及镍合金、钛及钛合金等,碳钢和铸铁价廉易得,但耐腐蚀性差,其他金属又价格昂贵。相比之下,石墨烯复合材料制品,耐化学品容器可很好地解决氯碱厂家的困扰,其耐溶剂腐蚀的范围广,可在pH0~14之间的高温介质下工作;,可满足氯碱装置的设计要求;优异的耐腐蚀性可极大地延长设备管道的使用寿命;与镍、钛金属相比,价格低廉。

卫浴产品
6.卫浴产品

陶瓷卫浴产品由于质地洁白、结构致密、强度大及热稳定性好,多年来一直在卫浴市场占据主导地位,然而其存在多个缺点,现将陶瓷与石墨烯复合材料比较如下:
(1)陶瓷脆性大,耐冲击能力低,易碎。
(2)陶瓷有一定的吸水性,吸水后膨胀,导致釉面发生龟裂。
(3) 陶瓷比重大,需要厚实的壁厚造成笨重无比,运输成本极高。
(4)陶瓷在生产过程中需要高温煅烧无法内置螺母。
(5)石墨烯复合材料具有模具低成本的基本优势。
(6)石墨烯复合材料因为低温成型可以内置发热元件因而保温脸盆,保温浴缸运用而生。
(7)石墨烯复合材料生产速度快。
(8)废弃的陶瓷用品拆卸、运输、不容易焚烧也是造成垃圾焚烧炉的一大麻烦。而石墨烯复合材料制品没有类似的问题,其重量轻,高抗冲击能力可确保产品的长期安全使用。
另外,石墨烯复合材料材料还具有其他优势:优异的涂饰性能、灵活多样并具有艺术性的设计,可满足客户的个性化需求;安全性和舒适性都令人满意;环保、无污染。

医疗设备
7.医疗设备

近期,由工信部牵头,发改委、科技部等几大部委正在研究制定加快医疗器械产业发展的政策措施,相关规划有望于年内出台。市场人士认为,在未来5年内,对医疗设备的需求有望出现大增。然而,我国医疗设备制造技术落后,材质多为不锈钢,质量重且易导热,结构精确度差,限制了高品质医疗设备的发展。而石墨烯复合材料材料可制备质量轻、体积大及空间结构精确的医疗设备,而且产品导热性低、电绝缘性高,添加一定的阻燃剂后,还可满足国家对室内用塑料的阻燃要求。对于少量多样的大型覆盖物件更合适。基于这些优异特性,石墨烯复合材料材料可为我国医疗设备的创新发展提供保障。

其他应用

石墨烯复合材料的低密度、高强度、高硬度、高耐冲击性及优异的耐腐蚀性使其可用于制造大型垃圾箱,替代木材制备载荷量更大、使用更耐久的物流托盘,以及高强度、高抗冲击能力、大面积的薄壁制件,如空投箱。优异的低温特性(-50℃环境下材料不变脆)则使其可用于制造摩托雪橇。石墨烯复合材料材料还在体育器材、大型电器外壳及航空制造业等领域具有很好的应用前景。在电动汽车产业轻量化的目标下,石墨烯复合材料是不错的选择。综合以上我们可以得到一个结论,石墨烯复合材料可以取代玻璃钢的材料,形体越大石墨烯材料越有优势。

玻璃钢制品
玻璃钢制品

• 制品强度高但韧性差,遇强击,有缺口或遇低温时易碎裂。
• 材料出现时间较长,不容易进军高端制造产业。
• 环境污染大,进出口限制较多,企业需应对环保压力。

碳素高分子树脂
碳素高分子树脂

• 制品耐候性和力学性能好,性价比良好。
• 由于材料特性,绝无回收料制品。品质可保证。
• 新型材料,更有利于争取与制造产业合作。
• 环境污染很小,符合国家产业发展方向。

环保优势

近几年,环境因素使一些发达国家对玻璃钢产品的使用进行了严格的控制,而石墨烯复合材料则属于“环境友好材料”,因为石墨烯复合材料的分子结构与煤油一致,所以石墨烯复合材料的废料及废弃产品在燃烧时,不产生包括二噁英在内的有害物质; 产品可以通过RoHS标准,不含六种特定的有害物质; 产品不含任何导致内分泌紊乱的化学物质。发热值是9,990 kcal/kg (煤油发热值: 10,500 kcal/kg)用于水泥窖燃料。另外石墨烯复合材料也可以进行再生利用,石墨烯复合材料产品粉碎后可以作为热塑性塑料 (如PP, PE等)的填料,生产窨井盖,地下电缆保护箱等热压成型制品。国家环保政策的规范、公民环保意识的加强和市场认知度的提高为石墨烯复合材料制品的高速发展提供了契机。

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