获得新材料的广泛接受可能是一个缓慢的过程。但石墨烯的情况并非如此，石墨烯似乎正在复合材料行业中快速采用。
石墨烯在不到二十年前首次生产，是已知最薄的材料。出于商业目的，它被定义为六边形蜂窝晶格中的1到10层sp2碳键原子。石墨烯的强度是钢的100到300倍，使其成为有史以来最坚固的材料。当掺入FRP复合材料中时，微量的石墨烯可以对其性能产生重大影响。
“我们有比较研究，石墨烯的负载系数从0.9%到0.5%到0.01%，仍然使复合材料的机械性能提高了35%到45%，”The Graphene Council执行主任Terrance Barkan说，该委员会正在领导鼓励石墨烯用于商业应用的努力。
分类框架
最初只有一种方法可以生产石墨烯，但今天有十几种制造工艺使用从石墨和含碳气体到生物炭、石油和煤炭等原料。这增加了石墨烯的可用性，但也给一些潜在用户带来了困惑。他们没有有效的方法来区分来自不同生产商的石墨烯产品。
The Graphene Council开发并最近发布了一个解决方案——石墨烯分类框架。
“该框架是一种一致的通用方式，使用大约19个与商业应用相关的关键特征来描述任何形式的石墨烯材料，”Barkan解释说。例如，一种石墨烯产品可以被描述为机械剥离的石墨，厚度为三到五层，是非氧化和非功能化的。
“它不能替代完整的表征，但有了这个描述符，你可以很好地了解你正在处理什么材料，”他补充道。
该框架为技术数据表提供了一个模板，生产商可以填写该模板，以提供其石墨烯的深入表征。
有了这些信息，有兴趣使用石墨烯的公司将能够找到特定类型石墨烯材料的多种来源，并确信所有产品都具有一致的性能和特性。此外，石墨烯分类框架将使必须批准石墨烯使用的健康和安全监管机构能够区分各种类型的材料。
一个ISO工作组也在审查该框架，目标是对其进行调整以创建国际石墨烯标准。
汽车应用
石墨烯生产商一直与制造商密切合作，将纳米材料整合到复合材料中。一些高端产品的制造商已经将石墨烯纳入其混合物中，但石墨烯行业正在努力实现更广泛的使用。
总部位于英国格洛斯特郡的Versarien PLC在过去两年中大幅增加了石墨烯粉末产品的产量，包括其旗舰产品Nanene™，希望将石墨烯市场扩展到更大批量，价格更低的应用。
“五年前，我们每周生产几克。我们现在每年高达10吨，可能在明年左右，我们将达到十倍，“Versarien项目管理主管Jim Barnett说。
汽车行业是一个潜在的大批量客户。在一个示范项目中，Versarien的子公司2-DTech与路特斯汽车，谢菲尔德大学先进制造和研究中心（AMRC）以及几家复合材料供应链公司合作，为路特斯Evija电动跑车生产石墨烯增强CFRP引擎盖。通过确定引擎盖预浸料树脂中石墨烯的最佳含量，该小组将组件的机械性能提高了10%，并生产出符合Lotus涂料规格的表面。
石墨烯的多功能性使其可用于各种汽车零件，Versarien首席技术官Steve Hodge说。石墨烯增强复合材料可用于车辆的结构面板和内饰件，其中纳米材料的高热分解温度也可以降低火灾风险。
“石墨烯具有良好的电性能，高机械强度，良好的导热性和光学性能。它是一种化学坚固的材料;直到你达到非常高的温度，它才会降解。我们实际上可以很容易地改变表面的化学性质，使其与某些树脂体系更兼容，“Hodge说。“所以真的，它就像一个工具包，使我们能够修改和增强任何复合材料。
他认为，一旦汽车公司和复合材料制造商确信石墨烯生产商能够以所需的数量和一致的性能水平提供纳米材料，他们就更有可能将石墨烯纳入汽车部件。
石墨烯增强型SMC
2021年，石墨烯生产商NanoXplore在蒙特利尔开设了一家全自动生产工厂，使用液体剥离工艺生产两个等级的石墨烯粉末。该公司还经营一个复合材料业务部门，主要为重型卡车和客车行业生产成品零件。该公司技术项目负责人Tarek Jalloul表示，采用石墨烯增强SMC外饰件的车辆应该在未来几个月内上市。
该公司正在与一个工业合作伙伴合作生产一种专有的石墨烯增强SMC化合物，该化合物将用于制造复合材料部件，并以NanoXplore商标进行品牌推广和销售给其他模塑商。
运输客户的主要价值主张是轻量化。NanoXplore在SMC中保持与以前相同的纤维负载水平，并添加石墨烯以进一步改善机械性能。这使得汽车供应商能够在不降低其强度的情况下生产更轻、更薄的零件。
“原始设备制造商可以使用更少的SMC材料，以成本中立的点生产性能相同的零件，”Jalloul说。石墨烯的加入还促进了材料在模具内更好的流动性，从而能够创建更复杂的几何形状，并提供美观的表面光洁度和更好的耐候性性能。
了解将石墨烯分散到SMC中的最佳方法是获得所需结果的关键。“有多种方法可以将粉末分散到众所周知的树脂系统中。棘手的部分是弄清楚工艺参数：步骤是什么？你把它放在哪里？你处理它多长时间？这个过程的细节是独一无二的，“Jalloul说。
添加剂功能化
MITO Materials不生产石墨烯。相反，公司将其功能化或增强。功能化涉及向石墨烯中添加其他元素以提高其溶解度，增强其强度或改善其与主体基质材料的结合。
MITO最初用环氧化物多面体低聚倍半硅氧烷（POSS®）功能化氧化石墨烯以生产其E-GO产品。
“我们给石墨烯一个化学浴，并使用氧化石墨烯上的点来附着POSS，然后我们过滤并干燥它。POSS的使用有助于确保石墨烯在聚合物系统中的良好分散，并有助于赋予材料的强度，能量分散，韧性和耐用性，“与丈夫凯文共同创立该公司的Hailey Keith说。
在聚合物重量的0.1%浓度下，功能化的石墨烯可以将热固性和热塑性复合材料的性能提高到基线以上20%至135%。该公司表示，使用功能化石墨烯，制造商可能能够获得更便宜的树脂，其性能与更昂贵的树脂一样好，甚至更好。
一家体育用品制造商已经在销售采用MITO的E-GO石墨烯的滑雪板。
“Folsom Custom Skis与我们一起进行了六个月的现场测试，制作了三对滑雪板，每双滑雪板含有10克E-GO，浓度约为1%，”Kevin Keith说。“他们发现，它们不仅将弯曲强度提高了35%，而且还将滑雪板的阻尼性能提高了100%。添加石墨烯还将滑雪板的重量减轻了20%。
MITO目前正在与一家大型全国性半挂车制造商合作，该制造商正在从钢制和复合材料拖车的组合过渡到纤维增强复合材料拖车。“他们只需移动到全复合材料地板和侧壁，就能减轻拖车原始重量的 35% 左右，”Kevin Keith 解释道。“酯的问题在于它们不具有与金属相同的耐磨性能;即使是来自其树脂供应商的定制配方也不符合规格。
制造商目前正在测试由功能化石墨烯制成的FRP组件。到目前为止，结果一直很有希望，制造商最终可能能够过渡到全复合材料拖车。
“假设只有一半的美国车队采用这种明显更轻的拖车，它具有相同的负载能力，它每年将节省120亿美元的燃料，并节省5700万吨二氧化碳进入大气，”基思说。
针对各种应用进行了优化
计算复合材料中要包含的正确石墨烯量是一种平衡行为。虽然一定比例的石墨烯可以为复合材料提供最佳的机械性能，但如果客户也想利用其电性能，则可能需要更高的百分比。
“我们必须与客户密切合作才能找到解决方案，而且我们经常不得不做出妥协。你必须逐个优化每个系统，“霍奇说。Versarien开发了一个大型数据库，了解石墨烯如何与各种聚合物一起工作，帮助客户确定纳米材料对其应用的影响程度。
MITO也开发了类似的参考资料。“我们发现石墨烯缺少的是通往复合材料的桥梁。客户需要了解石墨烯将如何相互作用并整合到不同的主体材料中，他们可以期待什么特性和挑战，或者他们可以在这些不同的聚合物中解决什么，“Keith说。
跨行业采用
石墨烯不是一种神奇的添加剂；将其添加到复合材料中不会自动解决制造商对特定复合材料组件的所有问题。但随着越来越多的石墨烯材料以不同的价位和不同的功能提供，并且随着复合材料制造商及其客户对这种材料的了解越来越多，石墨烯可能会成为制造组合中更常见的元素。例如，在飞机工业中，石墨烯的高导电性可以使制造商将其用于传感器。
“如果你有一个电场流过你的结构，并且该电场由于冲击损伤或一些内部损伤而中断，石墨烯的导电途径可以用作结构健康监测传感器，”霍奇说。Versarien还与空中客车公司和其他欧洲合作伙伴合作，将石墨烯用作飞机防冰和除冰应用的电热加热器。
在可持续性方面，石墨烯可能有助于增强生物衍生复合材料的性能。添加到这些复合材料中的少量石墨烯可以改善生物材料通常较低的性能，最终导致碳排放的显着减少。
石墨烯可以包含在混合物中，以生产复合材料部件的防火涂料或增强鞋子，钓鱼竿和高尔夫球杆的性能。石墨烯复合管可以比用其他材料制成的管更有效地冷却，使其成为石油、天然气和类似行业的理想选择。
石墨烯还有另一个重要优势。“无论是热塑性塑料还是环氧树脂系统，石墨烯都可以相对容易地添加到[复合材料制造]的液相中，而无需改变工艺或需要额外的资本设备，”Barkan说。
“我坚信，就像镍是不锈钢的标准成分，就像炭黑是轮胎的标准成分一样，石墨烯将成为先进复合材料应用的标准成分，”Barkan补充道。到今年年底，他预计一些树脂公司将提供预装石墨烯的树脂系统。
“它将作为优质、性能更好的产品提供，制造商和制造商不必做任何不同的事情，”Barkan 说。“他们只会得到更好的复合材料。
Mary Lou Jay是马里兰州Timonium的自由撰稿人，通过电子邮件将评论发送给mljay@comcast.net。
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