自從在曼徹斯特大學(xué)工作的俄羅斯科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，石墨烯在15年間產(chǎn)生了顯著的影響。它被發(fā)現(xiàn)六年后，Andrei Geim和Konstantin Novoselov因他們的工作獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)，“石墨烯”這個(gè)詞已經(jīng)進(jìn)入了公眾意識。
石墨烯就像金剛石、石墨、富勒烯和碳納米管一樣，是碳的同素異形體。在石墨烯中，碳原子排列成二維單層六邊形晶格。它們具有類似于鐵絲網(wǎng)的平面結(jié)構(gòu)。它的強(qiáng)度是鋼的200倍，而且具有出色的隔音性能。
潛在應(yīng)用的清單是巨大的，從油漆和油墨到觸摸屏甚至鞋子。福特新興材料集團(tuán)的科學(xué)家們想知道汽車行業(yè)是否可以利用其不尋常的特性。
該公司多年來一直試圖將石墨烯加入硬質(zhì)塑料中，使其更堅(jiān)固，更堅(jiān)硬。目標(biāo)是替換掉汽車中的一些金屬部件。但是，根據(jù)該公司新興材料的高級技術(shù)負(fù)責(zé)人Debbie Mielewski的說法，這些嘗試都沒有成功。 “我們甚至無法將其放進(jìn)擠出機(jī)，”她說。
偶然機(jī)遇
幾乎是出于挫敗感，他們在聚氨酯泡沫配方中嘗試了它，并且很快獲得了成功。 添加石墨烯相當(dāng)簡單，因?yàn)樗谂浞降亩嘣冀M分中。
“在一件事情上如此努力地掙扎是一件很有趣的事情，然后幾乎是出于挫敗感，在聚氨酯泡沫上嘗試并取得了成功，”她說。
福特與一級供應(yīng)商Eagle Industries和石墨烯專家XG Sciences密切合作，優(yōu)化泡沫的性能。 “我們需要修改石墨烯，并確保它具有成本效益，”Mielewski說。
“我們在這里進(jìn)行了大部分的泡沫實(shí)驗(yàn)，因?yàn)槲覀兣c密歇根州立大學(xué)建立了合作關(guān)系。Larry Drzal博士多年來一直在研究其他納米材料，XG是他的子公司之一。沒有太多的研究設(shè)施可以做聚氨酯配方，也沒有設(shè)備做硬塑料。是硬塑料帶來的挫折讓我們在泡沫上做嘗試。”
合適的等級
根據(jù)XG的首席商務(wù)官Bamidele Ali的說法，該公司創(chuàng)造了大約16或17種不同等級的石墨烯納米片。 “這些能夠賦予聚氨酯系統(tǒng)多種機(jī)械性能，電性能和熱性能，”他說。 “福特采用了我們的石墨烯納米片之一，這對于機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性非常好。我們幫助他們?yōu)橐嫔w下部件配制新的聚氨酯泡沫。”
“它提供了更好的隔音效果，發(fā)動(dòng)機(jī)可以承受更高的溫度，保持更好的結(jié)構(gòu)。”
XG有兩種不同的制造石墨烯顆粒的工藝，一種是基于化學(xué)的，另一種是機(jī)械的。 “我們與福特一起使用的石墨烯是經(jīng)過機(jī)械加工的，” Bamidele Ali說。 “它是一種高表面積的石墨烯納米粒子，在低多元醇含量下能很好地分散在多元醇中。通常，我們的機(jī)械系統(tǒng)生產(chǎn)150-800m2 / g的石墨烯納米片?！?/p>
盡管石墨烯在澆注之前被摻入到泡沫的多元醇組分中，但它并不只是把石墨烯顆粒攪拌到多元醇中那么簡單。
“你不能只拿石墨烯，將其放入系統(tǒng)，并期望它能夠發(fā)揮作用，”他說。 “石墨烯的質(zhì)量和成分，包括其形態(tài)和表面能，都很重要。我們選擇哪種石墨烯與特定的多元醇結(jié)合得最好?！?/p>
他補(bǔ)充說，正確地將石墨烯混合到多元醇中是非常重要的。 “能夠很好地分散石墨烯，并確保系統(tǒng)隨著時(shí)間的推移而保持能力取決于石墨烯使其分散的能量，”他說。 “沒有分散，沒有性能表現(xiàn)?！?/p>
分散和分配
雖然用于分散到福特泡沫中的方法是專有的，但Bamidele Ali說，該公司有六到七種方法用于將石墨烯分散到不同的系統(tǒng)中。
“這取決于能量和成分，”他說。 “這是一個(gè)有點(diǎn)復(fù)雜的算法，包括起始成分，石墨烯的成分，溫度和環(huán)境。有時(shí) - 很少 - 我們只是混合或攪拌，但我們也必須使用復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，并且有時(shí)相當(dāng)復(fù)雜的額外化學(xué)反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)它?！?/p>
價(jià)格昂貴
石墨烯非常昂貴。如果它所含的含量太高，則會(huì)使配方不經(jīng)濟(jì)。
“我們開始減少泡沫中石墨烯的含量，并發(fā)現(xiàn)即使在聚氨酯泡沫中使用極少量的石墨烯，其性能也可以大大提高，”Mielewski說。 “低于0.5%的含量使噪音傳播減少了17%，機(jī)械性能提高了20%，耐熱性能提高了30%。所有這些都非常適合引擎蓋下的應(yīng)用，我們有嘈雜的泵和發(fā)動(dòng)機(jī)，以及高熱量?！?/p>
提交了一項(xiàng)專利后，發(fā)現(xiàn)這種低含量的石墨烯導(dǎo)致了這些性能的大幅提升。這種泡沫現(xiàn)在正在進(jìn)入生產(chǎn)模式。
起初，它被用于福特F150皮卡車(福特F系列車型已成為美國30年來最暢銷的車型)和野馬。 Mielewski說，其他計(jì)劃將在2018年底結(jié)束。
她說，事實(shí)上它在如此低的負(fù)載下運(yùn)作良好至關(guān)重要。 “我們多年來一直與硬塑料中的其他納米材料合作，并意識到，如果你沒有以極小的用量帶來很大的影響，那么你就無法承擔(dān)性能改進(jìn)付出的費(fèi)用，”她說。
“我們在泡沫塑料中的添加比例為1.5%，并認(rèn)為我們最好看到我們用較小的金額獲得了哪些改進(jìn)，因?yàn)檫@是商業(yè)案例所允許的?！?/p>
漸進(jìn)而非線性
石墨烯含量越高，改善效果就越明顯，但增加的幅度不是線性的。”在這個(gè)水平上，你真的得到了最多的回報(bào)，不到0.5%。” Mielewski說。但他們也發(fā)現(xiàn)，石墨烯使泡沫成核，使聚氨酯泡沫中的結(jié)構(gòu)更加一致，氣泡更小。這也有助于提高機(jī)械性能。
她說，石墨烯增強(qiáng)泡沫還有其他的好處。由于成核，泡沫的重量要小一點(diǎn)，所以我們只需要少量的聚氨酯。這有助于平衡石墨烯的成本。這對每個(gè)人來說都是一場雙贏的勝利：消費(fèi)者得到了一種更安靜的汽車，它在發(fā)動(dòng)機(jī)罩泡沫下具有更高的耐熱性，在福特公司的研究中，我們找到了一種創(chuàng)造和實(shí)施新技術(shù)的方法。
Bamidele Ali說，泡沫在罩殼產(chǎn)品下的性能只是石墨烯帶給這種系統(tǒng)的一小部分。
“石墨烯可以影響產(chǎn)品的輕量化和沖擊強(qiáng)度，”他說。(它可以提高)壓縮強(qiáng)度20-30%，并在系統(tǒng)中提供更好的磨損性能?！?/p>
他補(bǔ)充說，雖然在聚氨酯體系中有點(diǎn)困難，但在更硬的泡沫結(jié)構(gòu)中，石墨烯可以賦予一些阻隔性能。它還可以防止紫外線和增加吸聲。此外，由于更大的熱導(dǎo)率，循環(huán)時(shí)間可能會(huì)下降。
他說：“石墨烯在極低的負(fù)載水平下所具有的特性使加工速度更快，加熱和冷卻速度更快，因?yàn)樗且环N良好的熱導(dǎo)體?！?/p>
“我們的客戶在多個(gè)系統(tǒng)中看到的加工效率和節(jié)能并不是我們經(jīng)常討論的問題，但通常它會(huì)加快制造過程，這在聚氨酯中有著廣泛的用途?！?/p>
在引擎蓋下
“我們首先將其用到了燃料導(dǎo)軌蓋和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋。然后是車輛引擎蓋下大約10個(gè)部件上?！盡ielewski說。
她相信它在車輛的其他地方也有潛力。 “壓縮永久變形的改善可能對第三排的折疊座椅很有用，”她說。 “這些被折疊很長一段時(shí)間，但泡沫仍然需要反彈。石墨烯泡沫可用于該應(yīng)用，真正為客戶帶來好處?！?/p>
而且其他地方也引起了很大的興趣。有人打電話給Mielewski詢問是否有助于讓客艙更安靜。
“一些公司打電話來，提到車內(nèi)的車頂襯里的泡沫。這的確可以很好地降低車內(nèi)的噪音。所以，我認(rèn)為我們也將開始關(guān)注其他應(yīng)用。只要我們能降低成本，大門就敞開著?！?/p>
降低噪音
還有一個(gè)完整的遷移計(jì)劃，可以將它移植到其他模型中?！彼f：“一旦我們到了自動(dòng)駕駛汽車的時(shí)候，人們就不用再開車了，他們會(huì)希望在車內(nèi)有一個(gè)安靜的環(huán)境來小睡或工作。這將是未來真正的優(yōu)勢?！?/p>
從石墨烯泡沫中受益的汽車的其他部分是頭枕-用來減少噪音，以及其他熱管理很重要的區(qū)域。
Mielewski說：“我們將尋找哪里太熱，哪里需要屏蔽熱量，石墨烯是一個(gè)很好的解決方案。”
