我们仅需向某些塑料中添加非常少量的石墨烯, 即可显著改变塑料的特性和性能. 在汽车行业的宣传中, 新技术总是被冠以 '革命性' 的描述, 但这经常是美好的愿望, 并非所有人都相信.
然而, 对于一种新兴材料而言, 只要在 '革命性' 前面加上 '可能' 二字, 这种描述就非常客观了. 这就是石墨烯, 它 '可能' 是一种 '革命性' 汽车技术.
回顾过去, 石墨烯材料在2004年由英国北部曼彻斯特大学的研究人员正式分离出来, 目前仍只是一种只有 '十几岁' 的新材料, 但已经开始稳步向成熟量产推进. 未来十年内, 石墨烯材料可能将给设计和制造领域带来巨大改变, 包括提升电动汽车和自动驾驶汽车的效率.
Versarien 公司是一支由 Andrew Deakin 博士担任首席技术工程师的先进材料工程团体, 致力于将石墨烯材料的应用从理论研究推广至实际生产, 让这种新兴材料充分发挥降低重量, 强化材料及优化电池的作用. '只要使用得当, 我认为石墨烯材料有望将车辆的塑料部分减重20%, 这将是革命性的. 此外, 凭借卓越的导电性能, 石墨烯材料还有望优化电池性能, 进而显著延长电池的使用寿命. '
作为一种同素异形体, 石墨烯是一种石墨(通常用于铅笔和干式润滑剂)衍生物. 目前, 距离将石墨烯材料大规模应用至汽车量产中仍需进行大量研发工作. Deakin 博士一直致力于推广石墨烯在车辆设计和制造中的应用, 但也同时坦诚面对可能的挑战: '石墨烯在某些场景下的应用可能在几年后能够实现, 在其他场景下的应用则可能需要十多年, 具体时间通常难以判断, 但我对这种材料的潜力充满信心. '
预测显示, 到2020年, 全球汽车行业每年的塑料使用量可能高达600万吨塑料, 但最终用量可能有所浮动: 比如, 如果通过添加石墨烯制造更坚固, 更轻质的塑料, 并用其替代其他质量密度更大的材料, 塑料的最终用量可能会有所增加.
增强塑料
Deakin 博士及其团队致力于将塑料强度提高30% 以上, 从而达到减少用量但又能达到同等或更高强度的目的. 然而, 目前车辆制造中常用的塑料种类高达13种, 而所有类型的塑料都必须经过测试程序.
Deakin 博士表示, '我们必须确定将石墨烯加入塑料的方式, 及具体混入的比例, 比如 1%到 5%;接着, 我们必须改进各种必需工艺和技术;最后, 我们将优化全面测试, 进而将小规模生产推动至工业规模. ' 目前, Deakin博士已经开始利用石墨烯材料, 优化轮胎, 复合车身面板, CFRP材料及电池的性能.
他表示, '最初阶段, 我们必须找出最具意义的应用场景, 也正因如此, 我们正在寻求大量行业专家的帮助. 举例来说, 我们可以利用石墨烯将轮胎寿命延长至现有水平的1.5倍, 甚至2倍, 并同时降低制造过程对塑料微粒的需求, 这对保护环境极具意义. 最近的一份报告指出, 在最终倾倒至海洋的直径不到1mm的塑料微粒垃圾中, 有超过 28%均来自轮胎. ' 石墨烯还有助于降低电池的重量和尺寸, 进而有效延长电动车的续航里程, 并有提高电池充电速度的潜力.
此外, 石墨烯还可以改善塑料板或缓冲器的耐冲击强度, 另外当应用至车辆底盘时, 也可以获得类似的性能提升. 当然为了取得理想效果, 也必须不断优化石墨烯的混合比例. 另一方面, 石墨烯通常无法用于铝材或钢材的增强, 但 '直接使用通过石墨烯增强后的塑料替代这些金属材料' 也是一个可选的思路.
Deakin 博士解释说: '如果使用石墨烯加固塑料, 部件的扭转刚度将保持不变, 甚至有所提高, 且耐冲击强度也会提高. 因此, 预计未来将有越来越多的场景开始使用质量更轻的塑料, CFPR 和 GRP 材料. '
Versarien在2014年收购2D专家公司, 当时后者每天的石墨烯产量仅为1克, 现今随着新设备的投用, 公司预计将在今年晚些时候将单日石墨烯产量增加到1公斤(2.2磅).
对此, Deakin 博士表示这相当于生产要素增加了1000倍. 简单计算, 如果每台设备的日均产量可以提升至10公斤(22 磅), 则100部设备即可将公司的单日产量提升至 1 吨. Deakin 博士补充说, '此外, 在显著优化塑料性能时, 我们还必须控制加入塑料的石墨烯用量(可能只有1%或更少), 这点非常重要. '
Deakin 博士对石墨烯生产设备及其工作方式的细节三缄其口, 仅表示塑料厂家可以在现有生产车间中轻松安装这种设备.
在Deakin 博士的定义中, '真正的' 石墨烯仅包含一层单原子厚的单层碳原子层. 然而, Versarien 石墨烯材料的大部分鳞片均不超过5层, 90%的鳞片均不超过10层, 平均横向尺寸仅为2微米.
此外, 可回收性是任何新材料在正式开始应用之前必须考量的重要问题. Deakin博士认为, 石墨烯的出现将使旧塑料 '重焕新生' (例如当塑料因紫外线照射出现退化时), 也就是保持其原始特性或性能, 重新进入供应链.
然而, 我们仍需面临一个长期存在的问题: 即 '通过添加石墨烯降低车辆的塑料使用量' 的成本效益到底如何?Deakin 博士说: '我们预计, 通过使用我们的技术, 这种石墨烯解决方案将在未来几年中真正具备成本效益, 大约需要五年时间. ' 那么, 这种仅有一层单原子厚的石墨烯到底是否可以称得上一种真正的 '革命性' 材料? 这就需要时间来验证了.