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且看石墨烯應用在汽車上的“七十二變”!

丝瓜短视频app下载日期:2018-03-23 13:01:28    作者:院辦公室    瀏覽量:2917 次

汽車材料是汽車設計、質量及競爭力的基礎, 每一次突破性的科技進展,背后一定有材料和工藝的創新, 在眾多新材料中,石墨烯具備導電性強,材料最硬、強度超高、導熱率超高、透光率超高等性能,被廣泛應用于新能源汽車、航空航天等多個領域,譽為即將顛覆二十一世紀的新材料,備受各方關注。

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全球第一輛采用石墨烯做車身材料的方程式賽車

石墨烯與富勒烯、碳納米管、金剛石一起構筑起碳從零維到三維的完整的同素異形體。目前,在汽車領域,作為其同胞兄弟的碳納米管已經顯示出誘人的應用前景,雖然石墨烯及其復合材料在汽車上的應用還比較少,但科學家們正在努力研究其在汽車領域方面的應用。

汽車儲能領域

電源、電控、電機是純電動汽車的三大系統。目前,作為電源的儲能裝置主要有鋰離子動力電池、超級電容器和燃料電池,三者均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導電性和良好的電化學穩定性,這為石墨烯的運用提供了廣闊空間。

石墨烯在汽車電池中的應用

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石墨烯是一類具有應用前景的鋰離子電池負極材料,已經運用到汽車電池研究領域,西班牙一家以工業規模生產石墨烯的Graphenano 公司同西班牙科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池,其儲電量是目前市場最好產品的三倍,用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里,而其充電時間不到8分鐘。石墨烯聚合材料電池的成本將比鋰電池低77%,重量也僅為傳統電池的一半。

2015年上半年,山東玉皇新能源科技有限公司搭建起了第一條新型電池生產線,這款快充型鋰電動力電池最大的特點就是加入了石墨烯, 將電芯內阻減小到最小,有效地解決了阻礙鋰電池產品快速充電的技術瓶頸,同時大大延長了電池壽命。目前已經投產,主打物流車和觀光車市場一塊加入石墨烯的“超能”電池,30分鐘可充電至最大容量,配備在新能源汽車上續航里程最高可達400公里,并且電池重量大大減輕。

石墨烯在超級電容器中的應用

所謂超級電容,是介于傳統電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣,都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。由于其容量很大,對外表現和電池相同,因此也有稱作“電容電池”。作為儲能器件的一種,超級電容器在充放電過程中釋放的能量巨大,但功率卻只有同重量普通電容器的十分之一。由于超級電容器充放電過程是物理變化,與化學變化的鋰電池充放電過程相比,超級電容器可以快成快放,不用擔心損傷電池。因此業界專家認為其以上優勢可以取代鋰電池成功搭載在新能源汽車中。

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南車株機20155月單批量交付的世界首列超級電容100%低地板有軌電車,其采用7500F 雙電層超級電容,壽命長達10 年,充放電次數可達100萬次。列車每次進站可快速充電,最大充電時間30,最快10秒便能完成充電。2015109日,中國中車株洲電力機車有限公司對外發布消息,自主研制的新一代大功率石墨烯超級電容問世。經院士專家組評審認定,其代表了目前世界超級電容單體技術的最高水平。

石墨烯在儲氫材料中的應用

在燃料電池領域,氫燃料是未來發展的方向。氫能源在汽車上的應用研究發展很快,通用汽車已推出的第三代燃料電池汽車,車速每小時已可達160km/h,續航里程400km。儲氫材料的納米化是提高儲氫能力的一個重要方向。目前,用于儲氫的材料,如鑭鎳系稀土、鎂系合金等,價格非常昂貴。而石墨烯因具有納米結構,同時成本相對較低,是儲氫材料的較好選擇。

目前,有關石墨烯儲氫的實際研究結果與理論容量仍有一定距離。探索不同的石墨烯制備工藝,對石墨烯進行有效摻雜復合是以后石墨烯基儲氫材料研究的重要方向。

汽車輕量化材料

汽車輕量化是節能減排的一個重要方向。研究表明,在不降低汽車剛性和碰撞性能的前提下,重量減輕10%,油耗將相應減少6%-8%。哥倫比亞大學James等測得石墨烯的強度是世界上最好鋼強度100倍,利用原子顯微鏡測量石墨烯的力學性能,其楊氏模量可達0.5TPa,彈性系數為105N/m

因為良好的力學性能,加之低密度,使石墨烯可作為提高材料力學性能的增強相,廣泛應用于車用輕質復合材料的開發。

車用功能復合材料

電加熱座椅

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電加熱座椅是體現一輛汽車檔次的必備裝置之一。石墨烯的導熱性,相對于碳納米管來說更加優秀,深圳市匯北川電子技術有限公司將石墨烯作為增強材料加入聚苯乙烯中,得到的是強度更高、導電導熱性能更好、重量卻更輕的復合材料。這種復合材料比原本聚合物基體的導熱系數高出4倍,而石墨烯獨有的超二維納米結構,可以保證熱量在加熱區域內均勻釋放。將石墨烯運用在汽車智能加熱坐墊上,讓坐墊受熱更加快速、均勻、安全,給汽車用戶們帶來了更體貼、溫暖的座駕感受。圖1為汽車智能加熱坐墊。

車身涂裝領域

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石墨烯的高疏水性以及獨特的納米結構,可以將其運用于車用涂料領域,提高防腐效果。青島格瑞烯金屬防護科技有限公司開發出環保型金屬防腐前處理新材料—界膜劑。

該界膜劑利用環境友好型的植酸(植物提取物)基化合物易于在金屬表面自組裝成膜的特點,經改性處理后再輔以適當的催化劑、鈍化劑、緩蝕劑、絡合劑以及改性石墨烯納米添加劑,生產出自組裝金屬界膜劑,該產品的濃縮液經稀釋后可直接替代磷化液,在經過簡單的浸泡或噴淋工藝處理后即可在各類鋼材表面形成一層植酸基自組裝緩蝕界面膜。

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與傳統磷化膜相比,該界面膜不僅耐腐蝕性能好,而且與金屬外涂裝層之間的結合力也顯著增強,且產品的各項經濟技術指標均優于傳統磷化液,可完全替代磷化液,從而解決金屬制品行業磷污染的問題。

石墨烯潤滑油

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石墨烯作為新型潤滑添加材料具有優秀的機械性能,可在摩擦副表面吸附上一層石墨烯保護膜,具有高效的防磨抗磨的性能:

①超強的自修復性能:石墨烯納米微粒可填充磨損微孔、劃痕,對摩擦副表面進行修復功能;

②形成強效的潤滑保護膜:石墨烯納米微粒在摩擦表面形成“滾珠軸承”,具有自潤滑性能;

③石墨烯納米微粒對摩擦副凹凸表面起填充作用,摩擦化學反應在摩擦副間形成了穩定的第三體,增加抗磨性能;

④石墨烯納米微粒優異的清潔分散性能,可使油品迅速擴散成膜;

⑤獨有的分水性能,有效防止乳化;

⑥優秀的抗氧化性、散熱性,有效延長油品使用周期。

目前開發的石墨烯潤滑油有船用潤滑油系列和車用潤滑油系列,其中車用潤滑油系列產品主要包括汽油發動機油、柴油發動機油、燃氣機油、裝甲車潤滑油等。

汽車電路

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目前,電路技術所用硅晶體管尺寸已經接近了相關物理定律極限,在尺寸方面難有更大突破。研究表明,與硅相比,電子在石墨烯內移動阻力更小,消耗能量更少;同時,基于石墨烯的晶體管尺寸可以更小,從而可實現更高的集成度。

因此,石墨烯被稱之為后摩爾時代取代硅的微電子材料。隨著技術的成熟,基于石墨烯的電路完全可以用于汽車。

車用導電功能塑料

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在汽車燃油供給系統中,以快速紊流方式流動的燃油能產生靜電,用于燃油供給系統的部件(包括郵箱,油管接頭,過濾器等)需要其導電率能阻止靜電堆積,消除火花、爆炸等危險。

目前,以碳納米管作為添加劑的導電塑料已成為應用于汽車燃油供給系統。石墨烯具備與碳納米管相媲美的導電性能,且制備成本更低,完全可以用于導電功能塑料領域。基于石墨烯的導電功能塑料還可以運用于汽車擋泥板、門把手、鏡盒等方面,方便車身的靜電噴涂,省去了相對于非導電性塑料在靜電噴涂前需要進行的表面導電化處理。

汽車輪胎上的應用

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石墨烯作為橡膠填料生產汽車輪胎,可代替炭黑(CB)、白炭黑(SiO2)、碳納米管(CNT)等,增強橡膠的拉伸強度、彈性和熱導率。石墨烯靜電輪胎導電率達到10-3S/m,通過輪胎與金屬輪轂嵌合,由輪面接地時段導出車體靜電,特別是易燃易爆品運輸車使用該輪胎,在輪胎3-5年的使用壽命內可靠消除靜電危害,杜絕靜電災難。

汽車夜視功能

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新型石墨烯材料出現,未來汽車可能有夜視功能。最近,麻省理工大學的研究人員研究出了一種全新的石墨烯半導體材料,有望被用在汽車的前擋風玻璃上,它的作用就是夜視功能。

原理是將石墨烯應用到熱成像設備的芯片中,制成紅外傳感器,目前,這款緊湊型的傳感器已經可以探測到物體的形狀了,但還需要進一步提高成像的分辨率,要想這種新型材料真正的實際應用,需要相當長的一段時間。未來如果應用在汽車前擋風玻璃上,那夜晚開車能看到的范圍更廣,也更清晰,或許對于交通安全也是一大助力。

結語

隨著汽車工業的發展,“人車生活”的和諧理念逐步為消費者所接受,這對汽車未來發展提出更高的要求,而車用新材料的研發、運用將一定程度上助力于這種要求變為現實。石墨烯作為一種在力學、導電、導熱等方面性能優良的新型輕質材料,其在汽車領域已顯示了誘人的前景,但距離真正走到應用領域還有一段很長的路,同時存在許多尚未解決的問題,相信隨著技術的進步以及石墨烯更多性能的挖掘,其在汽車中的應用前景更加廣闊。汽車界人士一定要努力搞好跨界合作,推動石墨烯盡多的在汽車產業上應用。

轉載自石墨烯資訊。


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