石墨烯解決方案或將增強材料性能

SAE International 國際自動機工程師學會

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。（圖片來源：Versarian）

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。

在此背景下，「石墨烯在塑料材料中的應用對環境和收益的影響」到底是利大於弊，還是弊大於利可能很難評估。然而，石墨烯不但可以幫助塑料材料減重進而降低能耗，還可以同時優化材料的耐撞性能：「現階段的挑戰是盡量將石墨烯應用至更多不同類型的塑料中，進而更好地理解這種材料可以真正帶來的優化。目前，我們剛剛開始對石墨烯在不同材料和組件中的應用進行大規模測試。」

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 1 mm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里程，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。

作者：Stuart Birch

來源：SAE International

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