石墨烯和碳納米管：炒作後的商業化

最新 09-30

導語

先進複合材料領域中的石墨烯和CNT應用仍處於商業化過程的較早階段，但隨著質量可靠性的提高，許多複合材料和組分都開始摻入這些納米材料。

石墨烯，2004年在曼徹斯特大學（英國）發現，是一個單層的二維碳原子層，緊密地堆積在六方晶格結構中。簡單來說，它是目前可用的最薄、最強的材料，也是目前可用的最導熱和導電的導體。單壁碳納米管（SWCNT）可以看做是由單層石墨烯捲成管狀物，通常大約直徑為1個納米。鑒於它們幾乎完美地融合了材料性質，而且它們本質上是輕質的、幾乎完全透明的事實，石墨烯和SWCNT已經被吹捧突破性材料十多年了。一些觀察家現在提出了這個問題：「他們什麼時候真的會商業化？」

未來材料集團的聯合創始人兼董事總經理認為：真正革命性的材料需要大量的時間來建立商業化。為了實現石墨烯和SWCNT的長期潛力，絕對需要相關因素的持續發展。

成功將新材料投入成熟的行業是一個巨大的挑戰。我們現在只需要參照一下新的材料解決方案，看看這個過程可以採取多長時間。比如我們了解到，碳纖維複合材料在主要航空結構應用，材料是在20世紀60年代推出，但到我們看到波音787第一個主要的碳纖維複合材料機身卻用了30多年時間。碳纖維的優點是非常明確和可取的，但是測試、開發生產過程和可靠的供應鏈仍然需要相當長的時間，以便將這種創新的新技術與現有的或替代的材料解決方案相結合。

石墨烯和CNT目前已有的應用

先進複合材料領域中的石墨烯和CNT應用仍處於商業化過程的較早階段，但隨著質量可靠性的提高，許多複合材料和組分都開始摻入這些納米材料。

在商業成品方面，當新材料可用時，體育用品行業通常上是反映非常敏捷的，迄今為止石墨烯和碳納米管的技術應用吸收最大。網球拍、自行車架、車輪、頭盔、棒球棒、射箭、高爾夫球杆和釣魚竿都使用納米材料，為用戶提供更輕、更強、更快、更堅硬或更耐用的設備。當然，納米材料的性能優勢有時難以獨立驗證，但這不一定是市場銷售的障礙。

諸如用石墨烯或CNT改性的樹脂體系的熱固性碳纖維預浸料已經出現在市場上，Zyvex Technologies Inc.和OCSiAl、Gurit UK和Haydale與SHD複合材料公司合作，將納米增強材料針對需要改進性能的客戶的要求（如斷裂韌性，抗壓強度和導熱性）。到目前為止，納米操作一直專註於樹脂技術。在增強織物中進行纖維的納米處理，或碳纖維板層壓板的縫合正在發展中，但從將其結果轉化為更高性能的複合材料產品仍有很多年。

已經表現出的優勢

考慮到材料的強度、硬度和抗壓縮和衝擊潛力，在航空航天中使用含有石墨烯和/或CNT的複合材料可能被認為是不可避免的，但是其他功能特性正在推動更有希望的應用。

利用石墨烯增強碳纖維預浸料副翼示範部件中的環氧樹脂的導電性，最近的一項國家航空航天技術開發計劃（NATEP，Farnborough，UK）支持的GraCELS項目，顯示了整個部件的散熱效果大大降低在雷擊事件中看到的熱量損壞。該項目由英國空中客車公司（英國Broughton），Haydale Composite Solutions，BAE Systems（英國法恩伯勒），SHD複合材料和Cobham技術服務公司（英國Kidlington）的投入進行，重要的是還確定了改進的機械性能並使用了現有的製造工藝，使得這些材料適合於其它複合結構，例如風力渦輪機葉片，其目前使用塗層或金屬網來消散靜電荷。

對於具有複雜幾何形狀和非常低生產量的零件的極限設計靈活性使得添加劑製造（AM）成為熱塑性複合材料零件的生產路線，可以從定製設計中受益。以前被認為更適合模型和測試組件，最新的AM材料為生產工具和商業醫療設備、汽車零件和航空航天部件提供了可行的選擇。現在可以從Directa Plus SpA（義大利Lomazzo），Haydale和Graphene 3D Lab（美國紐約州Calverton），3DXTech（Byron Center，MI，US）獲得列印長絲、粉末和顆粒格式材料可用於其他AM過程。隨著機械性能的提高，可以添加諸如磁性、熱和電導率的功能。

什麼阻礙進步？

可能最大的挑戰是以合理的價格開發大規模、一致的原材料和複合供應鏈。例如石墨烯可以通過在碳化硅晶片上生長通過化學氣相沉積（Ni，Cu等），通過化學還原石墨氧化物，通過解壓縮SWCNT或通過固相或液相剝離（剝離單個石墨烯層）。這些不同的路線提供了產量、純度和成本的各種組合以及相對較少數量的工業規模的供應商。

當原料供應成熟時，這些新材料仍然面臨重大挑戰，當研究揭示潛在的突出特性時，這些挑戰並不總是顯而易見。石墨烯和碳納米管眾多優勢的背後，新材料應用也同樣可能帶來風險：諸如商業航空航天等行業需要確保導電CFRP不會影響其他性能，如長期疲勞性能。雖然這些材料確實有一些驚人的屬性，但也有問題。研究表明石墨烯具有卓越的導電性，但是目前尚無法容易地關閉電流流動。這阻礙了電子應用的突破性進步。

現有的、成熟的技術和供應鏈也對石墨烯和碳納米管構成了挑戰，因為它們的製造商和最終用戶都在向OEM廠商集體展示他們的性能優勢可以證明材料成本和變化成本。

展望未來

雖然其他行業，特別是能源存儲和電子產品行業，有時被稱為石墨烯和碳納米管最有潛力的領域，但高級複合材料行業似乎已經將其更快地商業化。隨著全球供應基礎的成熟，當前研究項目的持續早期發展確定了真正有益的複合材料應用，這一趨勢預計在未來十年將繼續下去。

很難預測石墨烯和碳納米管的整體市場將如何快速增長，主要是因為上述挑戰。以石墨烯為例，目前的材料市場處於低至數千萬美元的水平，研究人員和投資分析師表示到2025年將達到2億美元至5億美元。

在研究和生產發展方面的投資將需要在幾年內達到更高的水平，但無論如何，完全商業化不可能在下一個十年到來。最成功的市場參與者將是那些最有能力將特定的業績收益與目標市場部門相匹配的人，同時也能通過現有的價值鏈阻力，順利地走上一條平坦的道路。

參考來源：compositesworld

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