石墨烯增強——未來的材料

 

　　無論是嵌入、分層還是噴涂，石墨烯都可以為現有產品帶來新的性能，或者允許開發新的產品。它還減少了達到相同性能或將性能提高到以前無法達到的水平所需的材料量。

 

　　石墨烯和金屬——解決未來的銅短缺問題

 

　　隨著全球電氣化程度的提高，對金屬（尤其是銅）的需求將在未來幾十年內增長一個數量級。另一方面，預計到 2030 年銅短缺量將達到 1000 萬噸。

 

　　瑞典的GraphMaTech公司旨在減少對銅的需求，用石墨烯取代部分銅。與單獨的銅相比，銅-石墨烯復合材料在硬度、楊氏模量和室溫拉伸強度等幾個指標上表現更好。此外，石墨烯填料可保持銅的機械性能，減少了可能導致電路故障或失去連接的電遷移效應。

 

　　GraphMaTech公司表示，其將石墨烯集成到金屬中的技術，目標是改善金屬-石墨烯復合材料。提高金屬材料的性能意味著在某些應用中需要更少的金屬用量。該公司專注于電氣化應用，并考慮使用與氫兼容的石墨烯金屬來實現未來的氫經濟。

 

　　石墨烯和玻璃纖維——添加新功能

 

　　瑞典的Grafren AB公司正在用石墨烯薄片直接涂覆玻璃纖維，以改善其性能。傳統的石墨烯涂料或粘合劑涂層方法不適用于玻璃纖維。石墨烯和玻璃纖維必須在納米尺度上集成，在纖維表面組裝和排列石墨烯薄片。該公司用石墨烯薄片以一種獨特的方式涂覆玻璃纖維，最終得到的涂層類似于蛇皮，纖維表面排列著許多薄片，彼此重疊。該公司研究團隊已成功展示了使用相同方法制造輕質柔軟的電子紡織品（導電織物）。

 

　　

 

　　石墨烯涂層玻璃纖維與裸玻璃纖維。

 

　　石墨烯和橡膠——贏得2022年環法自行車賽金牌

 

　　傳統橡膠，無論是天然的還是合成的，都必須經歷化學交聯反應才能硬化。這些性能可以在制造過程中通過添加復合成分進一步增強。氧化石墨烯就是其中之一：它既可以交聯又可以增強橡膠。可以增加橡膠承受長時間磨損的能力，提高橡膠的抗拉撕裂強度、阻燃性和耐熱性。

 

　　意大利的Vittoria Spa將石墨烯應用于其賽車輪胎，在速度和滾動性能（+5%）、抓地力（+8%）、耐刺穿性（+19%）和耐用性方面都得到了改進。Vittoria 的第二代石墨烯化合物（Graphene 2.0）贏得了大巡回賽和歐洲、法國、德國、奧地利、俄羅斯、巴西和泛美越野 MTB 錦標賽的冠軍。僅在 2022 年，Vittoria 的石墨烯增強型競賽輪胎就成為所有類型自行車中速度最快的輪胎，贏得了環法自行車賽（公路賽）、UCI 世界碎石錦標賽、UCI 世界越野山地自行車錦標賽和 UCI 世界錦標賽等比賽的冠軍田徑錦標賽，展示了跨學科和地形的領先表現。

 

　　

 

　　Jonas Vingegaard 憑借 Vittoria spa 的石墨烯競賽輪胎贏得 2022 年環法自行車賽冠軍。

 

　　石墨烯和混凝土——更多石墨烯，更少水泥

 

　　石墨烯增強混凝土的強度是標準混凝土的 2.5 倍，透水率是標準混凝土的 4 倍。它使用更少的水泥來提供所需的強度。由于水泥生產是建筑行業二氧化碳排放的主要原因，石墨烯增強混凝土預計可將這些排放量減少30%。

 

　　2022 年 3 月，Versarien 推出了世界上第一個采用石墨烯增強混合物的 3D 打印建筑結構，商標為 Cementene™。2022 年晚些時候，Versarien 與設計師 Steuart Padwick 合作，使用 Cementene™ 創建了 Island Steps——一種 3D 打印的無水泥結構，并在倫敦設計展上展出。

 

　　

 

　　石墨烯增強的3D打印建筑結構

 

　　石墨烯和紡織品——編織導電紗線

 

　　石墨烯旗艦柔性電子工作包的研究人員正在開發富含石墨烯的導電聚酯（聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET）紗線。芬蘭 VTT 研究所從英國劍橋大學接收基于石墨烯的層狀材料，并將其與 PET 進行復合。隨后，德國公司 Trevira GmbH 將這種材料紡成織物。如果技術經濟上取得成功，這種材料有望成為一種新型的輕質導電紗線。

 

　　

 

　　富含石墨烯的織物用作壓力傳感器，并被應用于鞋底。