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石墨烯纳米片规模化生产可待 或为航空航天带来颠覆

导读: 石墨烯纳米片材料主体用于锂电池正、负极材料,随着环境保护电动车的市场占有率和容量扩大,预计实现规模化生产和应用指日可待。中航工业北京航空材料研究院首创“石墨烯增强金属基纳米复合材料”,不但发明了一类具有优异性能的新型高端金属基纳米复合材料,该材料或还将对未来航空航天器带来革命性变革。

  石墨烯纳米片材料主体用于锂电池正、负极材料,随着环境保护电动车的市场占有率和容量扩大,预计实现规模化生产和应用指日可待。中航工业北京航空材料研究院首创“石墨烯增强金属基纳米复合材料”,不但发明了一类具有优异性能的新型高端金属基纳米复合材料,该材料或还将对未来航空航天器带来革命性变革。

  石墨烯在航空航天领域有诸多应用,而中国航空工业集团是中国在该领域的代表力量,故而其在石墨烯领域的进展往往较一般研发实体更为人所关注,他们取得了什么成绩,他们的研发体制是什么样的,为此记者联系采访了中航工业北京航空材料研究院石墨烯研究团队(下称航材院)。

  据航材院团队成员介绍,目前它们具备完全自主知识产权的石墨烯纳米片批量化制备的全套工艺技术及专用设备,建立了产能100吨/年的石墨烯纳米片全自动化生产线,获得4层以下的石墨烯纳米片,单层率大于90%,并具有极大比表面积和良好的分散性。在此基础上针对其在储能、环境等领域的应用制备了多种功能化石墨烯,包括羟基化石墨烯、羧基化石墨烯、镀银石墨烯、镀铜石墨烯、负载磁性粒子石墨烯、半导体杂化石墨烯等。开发了各类石墨烯宏观体,包括石墨烯纤维、石墨烯海绵、石墨烯气凝胶、石墨烯同轴纳米线、石墨烯织物等。

石墨烯纳米片规模化生产可待 或为航空航天带来颠覆

  航材院具备批量制备大尺寸、高质量化学气相沉积(CVD)石墨烯薄膜的完全自主知识产权的全套制备技术及专用设备,突破了反应源气体与载气压配比、化学气相沉积(CVD)反应室炉温均匀性、转移介质和载体匹配性、目标物与石墨烯薄膜兼容性等多项关键技术,解决了国产铜箔表面状态匹配性和多层模具设计和装配问题,提高了石墨烯薄膜的产品质量及产量,获得的石墨烯薄膜最大尺寸300mm×300mm,透光率93%以上,方块电阻300-500欧,层数1-5层并可控,形成年产十万片石墨烯薄膜(300mm×300mm)的生产能力。

  此外,在传统化学气相沉积(CVD)制备方法基础上,通过集智攻关,设计制造出规模化生产石墨烯连续薄膜的化学气相沉积(CVD)原理样机(Roll-to-roll设备),该设备可实现长度不限的石墨烯薄膜的连续工业化制备,为石墨烯薄膜规模化生产奠定基础。

  关于石墨烯材料在锂电池中的应用,航材院表示,在提升传统锂电池性能方面,基于自主研发、生产的易分散、大比表面积的高品质石墨烯纳米片,针对航空、航天和汽车领域对高能量存储密度和高功率密度电池的需求,研制了石墨烯改性LiFePO4/liMnPO4锂离子电池正极材料和石墨烯改性锂离子电池负极材料,组装了石墨烯锂离子电池典型测试试样,石墨烯的添加显著提高了锂离子电池的能量密度和功率密度,减小了电池充电时间,提高了电池续航能力,石墨烯锂离子电池展现出优异的循环特性。

  石墨烯在航空航天领域有广阔前景,在这方面航材院收获颇丰。

  航材院团队成员称,基于铝基石墨烯材料的研究,利用石墨烯高强、高模量的特性,以及航材院生产石墨烯粉末品质高、比表面积大和易于分散的特点,成功研制出700MPa级别以上的石墨烯铝基复合材料,以及弹性模量95GPa以上石墨烯铝基复合型材。航材院首创“石墨烯增强金属基纳米复合材料”,不但发明了一类具有优异性能的新型高端金属基纳米复合材料,该材料或还将对未来航空航天器带来革命性变革。首次利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等现代材料表征手段对石墨烯增强金属基纳米复合材料的微观组织结构进行表征,并测试其拉伸性能。结果表明:石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中,与基体形成良好的原子尺度结合界面,且石墨烯纳米片与铝合金基体未发生化学反应,并保留了原始的纳米片结构。例如,向铝合金中添加质量分数仅为0.3%的石墨烯纳米片时,其屈服强度和抗拉强度分别达到322MPa和455MPa,较未添加石墨烯纳米片的铝合金分别提高58%和25%,且铝合金的伸长率没有降低。

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