航空航天：石墨烯如何应对该行业的挑战？

面对全球变暖，航空航天行业正面临着一场真正的环境危机，必须在2050年实现碳中和——对整个行业来说是一个巨大的挑战。由于其多重性能，石墨烯在满足航空航天领域面临的挑战方面具有各种优势：通过更轻的结构实现脱碳化，同时还具有其他性能特点，如其电导率提供的防雷保护、热特性提供的除冰效果，以及其防腐蚀性能提供的设备保护。

航空工业脱碳：一项重大挑战

航空旅行提供了速度和覆盖距离的独特组合。然而，航空运输占全球二氧化碳排放的约3%，对全球变暖的贡献近6%。面对迫切需要减少温室气体排放的问题，2022年底，国际民航组织（ICAO）的190个成员国采取了措施，旨在在2050年实现碳中和。
为实现这一目标，需要探索一些途径：使用可持续或替代燃料：农业燃料、氢气等；开发电动飞机技术；使用新材料轻量化飞机，减少煤油消耗。

关于引入“绿色”飞机，即电动飞机或使用可持续燃料的飞机，这个解决方案目前尚不完全可行。一方面，相关技术仍在研发中，另一方面，相关成本仍然非常高昂（可持续航空燃料的价格约为煤油的五倍）。至于电动飞机，这个领域目前也不是很成熟，因为研发工作非常耗时，目前飞机电池的额外重量意味着中长途航班无法完全依靠100%的电动动力进行（资料来源：赛峰）。

那么剩下的选择就是更快、成本更低的解决方案，即用先进、性能更高、更轻的材料替代传统材料，比如石墨烯。

石墨烯助力航空工业脱碳

在轻量化方面，石墨烯可以减轻飞机的整体重量，从而大幅降低燃油消耗。根据石墨烯旗舰项目（Graphene Flagship）的航空领域负责人埃尔马·博纳库尔索特（Elmar Bonnacursot）的说法，“每节省一公斤可以在飞机的寿命内节省大约两吨燃料，避免排放六吨二氧化碳。”

根据石墨烯委员会的数据，石墨烯能够使重量减轻20-30%，而且不会对其他性能产生影响。此外，石墨烯已经被证明能够使碳纤维增强塑料（CFRP）更轻、更强，并且具有60%更高的抗冲击性。这使得石墨烯成为质量/机械性能比最好的材料。

Carbon Waters在航空工业广泛使用的聚合物上进行了测试，通过内部和与多个合作伙伴以及客户进行的测试，证明了这一潜力。这些结果使Carbon Waters能够提供改善复合材料热力学力学行为、应对轻质化材料挑战的产品，通过其Graph’Up Resist和Graph’Up Force系列。

石墨烯在航空航天中的其他优势有哪些？

除了轻量化和机械强化外，石墨烯还具有其他优势，例如出色的热导电性和电导电性，可用于功能化涂层，如导电涂料，或改善传热流体的性能。石墨烯的多功能性使其成为各种航空航天应用的理想材料。

石墨烯作为防腐性能增强剂

石墨烯还是一种出色的防腐剂，可以延长涂层的寿命。Graph’Up Oxi系列专为此目的而设计。由于其屏障性能，Graph’Up Oxi添加剂可以保护飞机的所有部件免受腐蚀的影响，包括那些因化学原因（煤油、除冰剂等）而引起的腐蚀。

这些添加剂单独使用时非常有效，当与富锌配方协同使用时，它们最大程度地提高了防腐性能。通过这种方式，可以以更薄的层次涂覆涂层，使飞机更加轻盈。

石墨烯作为一种集成防冰解决方案

利用焦耳效应，石墨烯提供了一种通过热电效应防止或消除霜的解决方案，而不影响空气动力学性能。石墨烯旗舰项目（Graphene Flagship）的矛头项目（GICE）就是一个例子。由空客和Sonaca领导的这个项目即将完成，旨在将富含石墨烯的除冰系统推向技术成熟度水平6（TRL6）。

这种系统将使得可以避免在停机坪使用化学除冰剂，这些剂会导致飞机长时间停在地面上。此外，将传统的除冰剂替换为其他除冰方法将避免将化学化合物释放到空气中，这可能会被周围地区的人们吸入（工作人员、旅客、当地居民等）。

石墨烯作为避雷器的保护层

如今，主要在航空领域使用含铜网的复合材料来保护飞机免受雷击。这是一个有效的解决方案，但也存在一些缺点。首先，这些复合材料增加了飞机的总重量。其次，它们在制造上复杂且耗时，因为这个过程很难实现自动化。

作为一种轻质材料，石墨烯还具有出色的电导电性，使其能够重新分配在冲击点接收到的能量。这使其成为一种吸引人的避雷系统解决方案。通过在复合材料中用导电树脂替代铜网，特别是借助石墨烯，飞机现在配备了一种更简单实施的避雷解决方案。