我們僅需向某些塑料中添加非常少量的石墨烯, 即可顯著改變塑料的特性和性能. 在汽車行業的宣傳中, 新技術總是被冠以 '革命性' 的描述, 但這經常是美好的願望, 並非所有人都相信.
然而, 對於一種新興材料而言, 只要在 '革命性' 前面加上 '可能' 二字, 這種描述就非常客觀了. 這就是石墨烯, 它 '可能' 是一種 '革命性' 汽車技術.
回顧過去, 石墨烯材料在2004年由英國北部曼徹斯特大學的研究人員正式分離出來, 目前仍只是一種只有 '十幾歲' 的新材料, 但已經開始穩步向成熟量產推進. 未來十年內, 石墨烯材料可能將給設計和製造領域帶來巨大改變, 包括提升電動汽車和自動駕駛汽車的效率.
Versarien 公司是一支由 Andrew Deakin 博士擔任首席技術工程師的先進材料工程團體, 致力於將石墨烯材料的應用從理論研究推廣至實際生產, 讓這種新興材料充分發揮降低重量, 強化材料及優化電池的作用. '只要使用得當, 我認為石墨烯材料有望將車輛的塑料部分減重20%, 這將是革命性的. 此外, 憑藉卓越的導電性能, 石墨烯材料還有望優化電池性能, 進而顯著延長電池的使用壽命. '
作為一種同素異形體, 石墨烯是一種石墨(通常用於鉛筆和乾式潤滑劑)衍生物. 目前, 距離將石墨烯材料大規模應用至汽車量產中仍需進行大量研發工作. Deakin 博士一直致力於推廣石墨烯在車輛設計和製造中的應用, 但也同時坦誠面對可能的挑戰: '石墨烯在某些場景下的應用可能在幾年後能夠實現, 在其他場景下的應用則可能需要十多年, 具體時間通常難以判斷, 但我對這種材料的潛力充滿信心. '
預測顯示, 到2020年, 全球汽車行業每年的塑料使用量可能高達600萬噸塑料, 但最終用量可能有所浮動: 比如, 如果通過添加石墨烯製造更堅固, 更輕質的塑料, 並用其替代其他質量密度更大的材料, 塑料的最終用量可能會有所增加.
增強塑料
Deakin 博士及其團隊致力於將塑料強度提高30% 以上, 從而達到減少用量但又能達到同等或更高強度的目的. 然而, 目前車輛製造中常用的塑料種類高達13種, 而所有類型的塑料都必須經過測試程序.
Deakin 博士表示, '我們必須確定將石墨烯加入塑料的方式, 及具體混入的比例, 比如 1%到 5%;接著, 我們必須改進各種必需工藝和技術;最後, 我們將優化全面測試, 進而將小規模生產推動至工業規模. ' 目前, Deakin博士已經開始利用石墨烯材料, 優化輪胎, 複合車身面板, CFRP材料及電池的性能.
他表示, '最初階段, 我們必須找出最具意義的應用場景, 也正因如此, 我們正在尋求大量行業專家的幫助. 舉例來說, 我們可以利用石墨烯將輪胎壽命延長至現有水平的1.5倍, 甚至2倍, 並同時降低製造過程對塑料微粒的需求, 這對保護環境極具意義. 最近的一份報告指出, 在最終傾倒至海洋的直徑不到1mm的塑料微粒垃圾中, 有超過 28%均來自輪胎. ' 石墨烯還有助於降低電池的重量和尺寸, 進而有效延長電動車的續航裡程, 並有提高電池充電速度的潛力.
此外, 石墨烯還可以改善塑料板或緩衝器的耐衝擊強度, 另外當應用至車輛底盤時, 也可以獲得類似的性能提升. 當然為了取得理想效果, 也必須不斷優化石墨烯的混合比例. 另一方面, 石墨烯通常無法用於鋁材或鋼材的增強, 但 '直接使用通過石墨烯增強後的塑料替代這些金屬材料' 也是一個可選的思路.
Deakin 博士解釋說: '如果使用石墨烯加固塑料, 部件的扭轉剛度將保持不變, 甚至有所提高, 且耐衝擊強度也會提高. 因此, 預計未來將有越來越多的場景開始使用質量更輕的塑料, CFPR 和 GRP 材料. '
Versarien在2014年收購2D專家公司, 當時後者每天的石墨烯產量僅為1克, 現今隨著新設備的投用, 公司預計將在今年晚些時候將單日石墨烯產量增加到1公斤(2.2磅).
對此, Deakin 博士表示這相當於生產要素增加了1000倍. 簡單計算, 如果每台設備的日均產量可以提升至10公斤(22 磅), 則100部設備即可將公司的單日產量提升至 1 噸. Deakin 博士補充說, '此外, 在顯著優化塑料性能時, 我們還必須控制加入塑料的石墨烯用量(可能只有1%或更少), 這點非常重要. '
Deakin 博士對石墨烯生產設備及其工作方式的細節三緘其口, 僅表示塑料廠家可以在現有生產車間中輕鬆安裝這種設備.
在Deakin 博士的定義中, '真正的' 石墨烯僅包含一層單原子厚的單層碳原子層. 然而, Versarien 石墨烯材料的大部分鱗片均不超過5層, 90%的鱗片均不超過10層, 平均橫向尺寸僅為2微米.
此外, 可回收性是任何新材料在正式開始應用之前必須考量的重要問題. Deakin博士認為, 石墨烯的出現將使舊塑料 '重煥新生' (例如當塑料因紫外線照射出現退化時), 也就是保持其原始特性或性能, 重新進入供應鏈.
然而, 我們仍需面臨一個長期存在的問題: 即 '通過添加石墨烯降低車輛的塑料使用量' 的成本效益到底如何?Deakin 博士說: '我們預計, 通過使用我們的技術, 這種石墨烯解決方案將在未來幾年中真正具備成本效益, 大約需要五年時間. ' 那麼, 這種僅有一層單原子厚的石墨烯到底是否可以稱得上一種真正的 '革命性' 材料? 這就需要時間來驗證了.