中航工業(yè)石墨烯及其復(fù)合材料研究取得突破性進(jìn)展
文章來源：規(guī)劃發(fā)展局、信息中心 發(fā)布時(shí)間：2016-01-04
石墨烯是一種由碳原子組成的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度，幾乎完全透明。石墨烯復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、韌性好、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能優(yōu)異等特性，在航空航天、電子、船舶、新能源、環(huán)境凈化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖1：石墨烯原子結(jié)構(gòu)
中航工業(yè)高度關(guān)注石墨烯等顛覆性新材料對(duì)傳統(tǒng)材料的影響，以及新型材料對(duì)先進(jìn)裝備發(fā)展的促進(jìn)作用。為推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域科技創(chuàng)新，中航工業(yè)打破固有研發(fā)體制束縛，打造了以年輕博士為主的多學(xué)科交叉、技術(shù)體系完整、創(chuàng)新研究與應(yīng)用研究為一體的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，為推進(jìn)新技術(shù)研發(fā)和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。十年來，中航工業(yè)沿著從實(shí)驗(yàn)室研究到工程化研究，再到批產(chǎn)技術(shù)研究的路徑，系統(tǒng)掌握了高品質(zhì)石墨烯納米片、功能化石墨烯和石墨烯薄膜的工業(yè)化制備技術(shù)。緊抓“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、需求牽引”的發(fā)展思路，圍繞“加快基礎(chǔ)材料升級(jí)換代”的主題，針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)材料不足，充分發(fā)揮石墨烯在力學(xué)性能、電學(xué)性能和熱學(xué)性能方面的優(yōu)勢(shì)，在國際上首次提出了石墨烯隱身材料、石墨烯防彈材料等概念，研究范圍涵蓋了包括金屬、非金屬等在內(nèi)的22類新材料，在我國軍事裝備、新能源交通工具和環(huán)境友好裝備等領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。目前，第一個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)化公司已落戶天津。
在環(huán)境凈化材料領(lǐng)域，中航工業(yè)已研制出一系列超輕、強(qiáng)吸附、高過濾的石墨烯海綿、石墨烯氣凝膠和石墨烯纖維多孔材料等石墨烯基復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，每1克這類材料能吸附超過100毫克甲醛、二氧化硫、氨氣等有毒有害氣體，或吸附超過20克對(duì)甲基藍(lán)、四氯化碳等有機(jī)污染物，對(duì)于造成嚴(yán)重污染的煙氣混合排放物也具有良好的吸附效果。應(yīng)用這類材料可制成用于空氣凈化裝置的空氣過濾芯、海上油污處理的吸油氈、煙道除塵凈化的布袋除塵器或濕式除塵器濾芯等。石墨烯吸附材料可多次回收利用，在空氣凈化、油污處理、煙氣吸附領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
在電池材料領(lǐng)域，中航工業(yè)采用石墨烯納米片、碳納米管和導(dǎo)電炭黑三元復(fù)合，開發(fā)出具有超大比表面積、超高導(dǎo)電性能、超多活化點(diǎn)的復(fù)合導(dǎo)電漿料，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率可控和高穩(wěn)定性。這種導(dǎo)電漿料有效解決了鋰離子電池正極材料導(dǎo)電性差、電池低溫性能下降等問題，顯著提高了電池循環(huán)性能。石墨烯應(yīng)用在高能量密度和高功率密度的鋰離子電池中，有助于鋰離子電池和清潔能源動(dòng)力電池等產(chǎn)業(yè)的升級(jí)發(fā)展。
在導(dǎo)電材料領(lǐng)域，中航工業(yè)通過將石墨烯納米片添加到鋁合金、銅合金、鈦合金和高溫合金等中，增加其拉伸強(qiáng)度和韌性，使合金的熱導(dǎo)率、導(dǎo)電性等功能特性得到優(yōu)化。目前，該研究中心已突破石墨烯鋁導(dǎo)體設(shè)計(jì)及制備技術(shù)，制備出同時(shí)兼具鋁合金導(dǎo)線強(qiáng)度和純鋁電導(dǎo)率的新一代石墨烯鋁導(dǎo)線；突破石墨烯銅觸頭和石墨烯復(fù)合銅導(dǎo)線的設(shè)計(jì)及制備技術(shù)，有望在相同輸電能力前提下大幅降低高壓導(dǎo)線銅材用量；突破石墨烯半導(dǎo)電材料設(shè)計(jì)及制備技術(shù)，制備出了同心高壓導(dǎo)線用半導(dǎo)電屏蔽材料。以上原創(chuàng)性技術(shù)都已形成發(fā)明專利、材料標(biāo)準(zhǔn)和工藝規(guī)范等成套技術(shù)文件，為實(shí)現(xiàn)石墨烯技術(shù)在電線電纜材料上的系列化應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
圖2：石墨烯的添加對(duì)鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)的影響
在電子封裝材料領(lǐng)域，中航工業(yè)通過將石墨烯納米片添加到鋁合金中，開發(fā)出了線膨脹系數(shù)可控的新一代高性能電子封裝材料。與傳統(tǒng)的鋁-硅合金相比，這種材料的導(dǎo)熱性能提升1倍以上，強(qiáng)度提升90%；與鋁-碳化硅材料相比，導(dǎo)熱性能提升50%，價(jià)格降低一半。這種材料可用于雷達(dá)收發(fā)模塊封裝、大功率半導(dǎo)體器件底板等，對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)具有重要意義。
下一步，中航工業(yè)將在石墨烯材料領(lǐng)域持續(xù)開展自主創(chuàng)新研究，并進(jìn)一步拓展石墨烯在航空航天、能源、電子和生物等領(lǐng)域的應(yīng)用，未來有望形成多個(gè)產(chǎn)業(yè)集群，給相關(guān)新材料領(lǐng)域帶來革命性的變化。
同時(shí)，國資委將進(jìn)一步跟蹤石墨烯及其復(fù)合材料技術(shù)研究進(jìn)度，推動(dòng)中央企業(yè)積極參與應(yīng)用推廣，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和中央企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。
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