高质量石墨烯如何使电动飞机应用受益

作者：利亚姆·克里奇利（Liam Critchley）（化学和纳米技术作家）

近年来，随着制造商和消费者试图通过转向更环保的替代方案来抵消汽车碳排放，电动汽车 (EV) 已成为一个日益重要的话题。虽然人们的注意力主要集中在汽车和卡车等地面车辆上，但人们对电动飞机的兴趣与日俱增——美国国家航空航天局(NASA)等主要组织以及众多私营公司都进行了开创性研究。

“石墨烯可以在飞机的多个部件中发挥作用。它可以使复合材料同时坚固、坚韧和轻质。减轻飞机的重量带来了相当大的优势：在飞机的整个使用寿命期间，每减轻一公斤可节省约两吨燃油，避免六吨二氧化碳排放。

“石墨烯还可以保护金属、复合材料或陶瓷材料免受环境危害，包括沙子、降雨和强紫外线辐射。其高导热性和导电性可用于为材料添加新功能并提高其性能。它可用于电动机、车载系统、电气传感器、热执行器以及更多应用。”

-石墨烯旗舰航空冠军，Elmar Bonnacurso

有许多适用于航空航天的关键材料特性基石。飞机需要升空、运输货物或人员并安全到达目的地，这意味着材料需要非常坚固但又要轻。除了医疗行业之外，航空航天业是监管最严格的行业之一，因为生命攸关，航空航天业的各个方面都需要能够在恶劣条件下运行且具有高性能的关键任务材料。

高品质石墨烯是迄今为止发现的最轻、最强、导电性最强的材料之一。由于高质量石墨烯可以赋予其他材料结构强度和完整性，因此它是电动飞机许多方面的理想选择。毫不奇怪，这种“超级材料”引起了人们的兴趣，因为英国国家石墨烯研究所（NGI）和欧盟石墨烯旗舰等主要石墨烯机构和组织所做的应用工作。

由于安全性和可靠性至关重要，因此只有最高质量的石墨烯才能满足商业航空的需求。因此，这将是石墨烯材料，不仅可以大规模生产以满足需求，而且几乎没有缺陷，具有优异的性能，并且与集成到飞机上使用的现有材料高度兼容。大而薄且几乎无缺陷 (LTDF) 的石墨烯薄片完全符合要求。

虽然商用航空通常可以在很多方面受益于石墨烯，因为它能够在增强重量的同时减轻重量，但电动飞机尤其可以通过石墨烯进行改造，因为更轻的重量可以转化为更长的飞行时间。

以下是一些关键示例：

适用于电动飞机的更高效、更轻的电池

感谢Skeleton Technologies、Polyjoule、GAC Group、Lyten和Strategic Elements，许多基于石墨烯的电池已经进入市场。其中一些电池设计用于电动汽车，其他电池则用于不同的应用（包括小型卫星）。石墨烯的优点之一是它使电池更高效、更轻。

虽然当今市场上的石墨烯电池并未专注于电动飞机，但美国宇航局已经在该领域进行了一些令人兴奋的研究，因此不久之后我们就会看到为电动飞机提供动力的石墨烯电池。NASA一直在通过增强充电性和安全性固态架构电池 (SABERS) 计划对电动飞机电池进行大量研究，并在2023年宣布推出一种使用硒和硫的新型固态电池（这是以前从未见过的）后成为头条新闻）用于电动飞机，据报道其能量密度是锂离子电动汽车电池的两倍。

然而，虽然每个人都在关注硫和硒材料的使用，但没有广泛宣传的方面之一是，由于石墨烯网将硫和硒颗粒排列在阴极中，电池可以有效地发挥作用。美国宇航局还在研究创建基于石墨烯的电池-超级电容器混合系统，该系统可以为电动飞机应用存储和释放电荷。

电动飞机中的电池需要具有与其他电池技术（包括其他电动汽车电池）不同的特性。简而言之，它们需要保持大量电量，能够快速释放任何存储的电荷，重量轻，并且高度稳定，因为与陆地车辆相比，电池将在更恶劣的条件下使用。

石墨烯已经被用于电池，因为它能够存储更高程度的电荷，并且它也被用于商业超级电容器，因为它能够快速释放所存储的电荷。石墨烯具有轻质特性、高达5000 W m ^-1 K ^-1的热导率（用于散热）以及高热稳定性，使其成为电动飞机电池的理想选择。

但安全和质量在航空航天领域至关重要，这就是 LTDF 石墨烯薄片非常适合的原因。当石墨烯用于电极时，更大面积的石墨烯提供更好的导电通路。LTDF石墨烯通常用作添加剂。在电极中，提供均匀的导电覆盖是关键，而LTDF石墨烯由于其较大的表面积而提供了更均匀的分散，同时不会在电极中聚集。LTDF石墨烯缺乏缺陷还意味着任何含有石墨烯的混合材料的结构将具有更有效的传导路径（由于电子散射程度较低）并且本质上更稳定。

坚固且轻质的复合材料

所有飞机都依赖于坚固且轻质（相对而言）的复合材料。石墨烯复合材料除了为飞机带来更高程度的强度和耐用性外，还有助于减轻飞机的整体重量。对于传统飞机来说，这通常会提高燃料使用量并减少 CO ₂排放，但对于电动飞机来说，这会减轻电池的压力，并确保电池的使用寿命更长，这意味着飞机在充电和/或飞行之间可以飞得更远承载更大的有效载荷。

“石墨烯（比碳纤维）更轻，重量轻很多倍，强度也强很多倍，”长期以来一直倡导在商用飞机中使用石墨烯的理查德·布兰森爵士说道。

使用石墨烯还有其他好处。石墨烯的高纵横比（长宽比）、其柔韧性和机械强度使LTDF石墨烯能够增强飞机复合材料的薄弱环节。迄今为止的研究表明，采用石墨烯复合蒙皮的石墨烯飞机机翼的抗冲击能力比普通碳纤维机翼高出高达60%。在机舱内使用石墨烯还有一些好处，因为石墨烯基复合材料可以抑制振动并降低噪音。

航空航天领域的复合材料受到严格监管，需要最高质量的材料和零件。使用大粒径石墨烯可以防止团聚（减少薄弱区域的可能性），减少可能影响机械性能的可转移缺陷，并提供一种方法来创建更坚固耐用的复合材料，以满足电动飞机的极端要求和质量要求更广泛的航空航天工业。

适用于恶劣环境的防护涂料

石墨烯还可以集成到一系列涂料配方中（从水基解决方案到油墨配方），并可在航空航天工业（以及船舶和汽车领域）中用作阻隔涂层。

阻隔涂层的主要功能之一是耐腐蚀，石墨烯不渗透气体和水，并且基本上不受热或恶劣化学品/环境的影响。此外，LTDF石墨烯吸收光并具有排斥水的天然疏水性，可用于防止腐蚀。因此，石墨烯可以应用于非常薄的涂层（或薄纳米复合材料）中，作为电动飞机的腐蚀和保护屏障，并且几乎不增加任何重量。

石墨烯在许多领域为航空航天涂料提供了新功能。除了增强飞机结构件的强度外，石墨烯的热稳定性和导电性能可用于制造飞机内部部件的阻燃涂层，而其耐腐蚀性、导电性和低密度可用于制造涂料具有电磁干扰 (EMI) 屏蔽特性。

由于薄涂层可以是纳米复合材料，因此 LTDF 石墨烯薄片的许多优点（包括其大粒径和无缺陷）使其成为纳米复合材料涂层的理想选择。对于更多的液体或油墨基涂料来说也是如此，因为较大的粒径可以覆盖内部涂层基质的大面积，而不会结块并导致局部弱点，并且LTDF石墨烯的特性可以均匀地分布在整个涂层中。

结论

铝使商业航空成为现实。它重量轻、含量丰富，为飞机奠定了基础，飞机已转向使用更轻的碳纤维复合材料。LTDF 石墨烯薄片通常是商业航空以及电动飞机广泛采用的下一代添加剂材料。

深蓝天背景地面上带插头电源线和客运或货运飞机停放的电动飞机充电站的插图草图线和渐变蓝色

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