石墨烯材料有望将车辆的塑料部分减重20%

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。


图片来源：Versarian

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。

在此背景下，“石墨烯在塑料材料中的应用对环境和收益的影响”到底是利大于弊，还是弊大于利可能很难评估。然而，石墨烯不但可以帮助塑料材料减重进而降低能耗，还可以同时优化材料的耐撞性能：“现阶段的挑战是尽量将石墨烯应用至更多不同类型的塑料中，进而更好地理解这种材料可以真正带来的优化。目前，我们刚刚开始对石墨烯在不同材料和组件中的应用进行大规模测试。”

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 1 mm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。