应用现状 | 石墨烯与金属、玻璃纤维和钙钛矿等材料的结合

石墨烯与其他材料的结合将新产品带到了创新的前沿。

石墨烯和金属

微量的石墨烯和其他层状材料通常足以增强其他材料的性能。石墨烯旗舰研究人员将石墨烯添加到金属，塑料和其他材料中，使它们更坚固，更轻，导电等。无论是嵌入、分层还是喷涂，石墨烯都会为现有产品引入新特性或允许开发新产品。它还减少了实现相同性能或将性能提高到以前无法达到的水平所需的材料量。

解决未来铜短缺问题

石墨烯具有其他非金属材料所没有的独特性质。它被认为是半金属，因为它与半导体金属具有某些共同的特性。石墨烯结构中的自由电子能够有效地导电，而缺乏电子（空穴）导致高导热性。

随着全球电气化程度的不断提高，对金属，尤其是铜的需求将在未来几十年以一个数量级增长。另一方面，预计到2030年，铜短缺将达到1,000万吨。

石墨烯旗舰关联成员GraphMaTech(瑞典)旨在减少铜的需求，用石墨烯取代部分铜。与单独使用铜相比，铜-石墨烯复合材料在硬度、杨氏模量和室温抗拉强度等方面表现更好。此外，石墨烯填料保持了铜的机械性能，并减少了电迁移效应（电迁移效应可能导致电路失去连接或故障）。

“我们已经开发出将石墨烯整合到金属中的技术，目标是改进金属 – 石墨烯复合材料。我们可以提高金属材料的性能，这意味着在某些应用中需要较少量的金属。石墨烯旗舰合作伙伴Graphmatech AB的首席执行官Mamoun Taher在由石墨烯创新旗舰工作包组织的“用石墨烯技术实现绿色转型”网络研讨会上说：“我们正专注于电气化应用，我们也在考虑在未来的氢经济中使用与氢兼容的石墨烯金属。”

从稀有元素到碳

除了铜，石墨烯还可以取代稀有和贵金属，从而实现更可持续和资源节约的制造。锡、银、钨和铟等稀缺金属既稀有又难以提取。然而，它们是我们电子设备中的关键组件。例如，铟被广泛使用，主要以氧化铟锡的形式，用于从触摸屏到LED灯的各种设备中。同时，它被列入欧盟的关键原材料清单——这些材料在经济上很重要，但供应风险很高。

几个研究小组正在关注这个问题。2017年，石墨烯旗舰合作伙伴查尔姆斯理工大学（瑞典）的研究人员研究了14种不同金属的主要应用，并探索了如何用包括石墨烯在内的碳纳米材料代替它们。例如，石墨烯可以涂覆触摸屏和其他显示器，取代氧化铟锡。

石墨烯在太空中的应用

来自石墨烯旗舰合作伙伴机构Université Bruxelles(比利时)、剑桥大学(英国)、CNR Bologna(意大利)和Leonardo(意大利)的研究人员测试了一种用于循环热管的石墨烯基泡沫的热和物理性能，这种热管是冷却卫星和航天器中的电子设备的传热装置。冷却效果是通过蒸发芯内的流体来实现的，芯通常由多孔金属制成。通过在灯芯上涂上石墨烯泡沫，研究人员的目标是改善传热，因为石墨烯可以促进蒸发。这种泡沫还提高了灯芯的毛细管压力，允许工作流体更快地通过回路热管。2017年，该测试由欧洲航天局（ESA）和Novespace（法国）运营的抛物线飞行中进行。

石墨烯和玻璃纤维

石墨烯为玻璃纤维提供了许多新功能

瑞典的石墨烯旗舰关联成员Grafren AB在开发玻璃纤维石墨烯涂层方面取得了进展，这些涂层可用于多种用途，以获得更轻的产品，提供EMI屏蔽并提高电气，热和机械性能。

与碳纤维相比，玻璃纤维在广泛的选择中提供了更低的成本，从用于航空航天应用的高质量树脂注入层压板到用于热塑性塑料和注塑的短纤维。碳纤维和玻璃纤维都有各自的缺点。碳纤维非常昂贵，限制了它们只应用于高端产品。它们也很脆，当施加相当低的冲击能量时可能会破裂。玻璃纤维具有较低的机械特性，较重，对温度敏感且无电活性。

Grafren AB现在成功地采用了一种基于用石墨烯薄片直接涂覆玻璃纤维的方法，以改善玻璃纤维的性能。传统的石墨烯涂料或粘合剂涂层方法不适用于玻璃纤维。石墨烯和玻璃纤维必须在纳米级上集成，在纤维表面组装和排列石墨烯薄片。“我们使用石墨烯薄片以独特的方式涂覆玻璃纤维。由此产生的涂层类似于蛇皮，纤维表面排列着许多薄片并相互重叠，“石墨烯旗舰会员Grafren的首席执行官Erik Khranovskyy解释说。此前，该团队已经使用相同的方法成功地演示了轻质柔软的电子纺织品——导电织物的制造。

石墨烯涂层玻璃纤维vs裸玻璃纤维(图源：Grafren AB)

“我们通过涂覆20多种类型、尺寸和编织几何形状的玻璃纤维来验证这种方法，精确控制涂层的均匀性和导电性。通过改变每根纤维上薄片涂层的厚度，我们能够精确地调整玻璃纤维织物的薄片电阻，从1 MOhm/sq到10 Ohm/sq，“Grafren 的首席技术官 Mike Zhybak 说。

不同涂层厚度和各自不同导电性的石墨烯镀膜玻璃纤维(图源：Grafren AB)

可控制的导电性为玻璃纤维增加了令人兴奋的功能：例如，涂有石墨烯的独立玻璃纤维层可以用作复合材料部件内部的电线。当应用到车辆上时，这种材料可以传输低电流信号，降低车辆的总重量，并消除了沉重而昂贵的铜线的使用。Khranovskyy指出：“石墨烯是一个完美的选择，因为复合材料的机械强度不会受到影响。”

其次，石墨烯涂层的玻璃纤维可以屏蔽电磁干扰(EMI)。Grafren观察到在1 MHz-40 GHz频率内可控制的EMI屏蔽效率可达60 dB。该功能可能适用于电动汽车的电池盒，由于成本较低，玻璃纤维优于碳纤维。此外，目前金属箱的重量在90公斤至160公斤之间，使其成为电动汽车最重的部分，而石墨烯基复合材料可以将重量减轻30%至40%。

石墨烯导电性赋予玻璃纤维的另一个重要功能是焦耳热——由于电流通过而产生热量。这可以应用于电动汽车或飞机的内部供暖，以及空中交通工具的除冰功能。

“虽然大型和民航飞机拥有相当先进的除冰系统，但小型飞机和无人机在冰冻条件下运行往往具有挑战性，”Grafren首席技术官Mike Zhybak解释说。“这就是Grafren 的解决方案可以发挥作用的地方。我们提供石墨烯涂层玻璃纤维，作为小型飞行器复合材料结构的顶层集成。

混合复合材料中热辐射石墨烯镀膜玻璃纤维层的热成像。 室温为18°C；在施加12 V/0.1 A的电力时，已经观察到清晰而均匀的热量。(图源：Grafren AB)

此外，根据Grafren的测试，玻璃纤维的导热性在石墨烯涂层后提高了约100倍。此功能对于某些应用非常理想，例如发动机和电机，在这些应用中，必须通过复合结构有效地去除多余的热量。石墨烯的导热性将热量传播到环境中。这是一项极其重要的功能，尤其是与EMI屏蔽结合使用时。

“裸露的玻璃纤维在1500°C的燃气燃烧器点火下，6秒后熔化，而石墨烯涂层的玻璃纤维能够承受120秒。简单地说，一个覆盖着石墨烯涂层玻璃纤维的电池盒可以让着火的电动汽车上的乘客多出20倍的时间离开汽车——因此，存活的几率也更高，”khranovsky兴奋地说。

最后，玻璃纤维的石墨烯涂层对机械性能有积极影响：复合材料的抗冲击性提高了200%。这有可能使使用玻璃纤维进行冲击能量阻尼的产品重量减半。“我们正在进行最终测试，以创建明确的客户价值主张，”Erik解释道。

石墨烯和钙钛矿

在光伏领域取得进展

钙钛矿在吸收光子方面非常有效，光子可以转化为电流，从而为太阳能电池创造了一种令人兴奋的硅替代品。由于硅太阳能电池已达到其理论上的功率转换效率极限，钙钛矿太阳能电池已成为低成本、轻量、灵活的光伏替代品。

尽管钙钛矿太阳能电池表现出优异的性能，但随着组件尺寸的增加和在室外条件下，其效率会迅速下降。空气、湿度和受热会降解钙钛矿，从而降低其优势。在这里，石墨烯可以提供帮助：它是疏水的，可以保护钙钛矿太阳能电池免受大气降解。它还可以提高太阳能电池的整体电气性能。

克里特岛的第一个太阳能农场

石墨烯旗舰公司的能源生产工作包将石墨烯和相关材料结合到钙钛矿电池中，并达到了创纪录的性能和稳定性水平。该项目产生了第一个石墨烯钙钛矿太阳能农场。它被安装在克里特岛的户外，峰值功率输出为250w，可与商用60片硅太阳能电池板相媲美。

该实验由石墨烯旗舰合作伙伴希腊地中海大学(希腊)、罗马托尔韦尔加塔大学、BeDimensional S.p.A、Greatcell Solar Italia SRL、意大利理工学院和国家研究委员会(意大利)的研究人员进行。

“我们证明，使用层状材料，如石墨烯和二硫化钼，可以改善钙钛矿太阳能电池的界面性能，不仅在实验室规模上，而且在实际条件下测试的大面积面板上，从而将技术准备水平推到6-7左右的高值，”团队的主要成员之一，来自罗马托尔韦尔加塔大学石墨烯旗舰合作伙伴的Aldo di Carlo在他们的成功结果后说。

使产品更接近市场

石墨烯旗舰先锋项目GRAPES通过将平均能源成本降低到每兆瓦时20欧元以下，推动太阳能电池技术向前迈进了一步。由意大利Enel Green Power公司领导的GRAPES团队旨在将钙钛矿电池的性能和稳定性提高到创纪录的水平，并使用石墨烯和层状材料、钙钛矿和硅的堆叠层制造具有成本效益的光伏电池板。

参考资料

1. Arvidsson, Rickard, and Björn A. Sandén. “Carbon nanomaterials as potential substitutes for scarce metals.” Journal of Cleaner Production 156 (2017): 253-261.

2. Weng, Zhichao, et al. “Wafer‐Scale Graphene Anodes Replace Indium Tin Oxide in Organic Light‐Emitting Diodes.” Advanced Optical Materials 10.3 (2022): 2101675.

3. Pescetelli, Sara, et al. “Integration of two-dimensional materials-based perovskite solar panels into a stand-alone solar farm.” Nature Energy (2022): 1-11. https://www.nature.com/articles/s41560-022-01035-4

来源：GRAPHENE FLAGSHIP