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大揭秘!青島石墨烯產業有哪些“看家本領”?
更新時間:2018-05-04 瀏覽數:
2018-05-04 烯碳資訊



導讀

它可以讓鋰電池充電只需10分鐘,讓電子元器件“延年益壽”;它是海工產品的防腐“重器”、石油完井工程的“好幫手”、鎂合金的“美容劑”、電動自行車的“能量桶”,它就是神奇材料石墨烯!

自2004年石墨烯被發現以來,世界多國對其制備技術和應用研發爆發出空前熱情。石墨烯新材料產業也是我國大力支持的產業、山東省新舊動能轉換重大工程確定的“十強產業”之一。青島是全國率先引入石墨烯新材料研發及制備的城市之一,并在全國擁有較高的產業地位。目前在青島圍繞石墨烯產品的研制都有哪些“神奇”的故事正在發生?本報記者進行了一番梳理。


專家談石墨烯研發與應用:
——將“革命性地改變生活” 開啟萬億級產業新時代 ,青島處于國內石墨烯產業化領域“第一集團”

“石墨烯是世界上最薄、最堅硬的納米材料,具有超高強度、超高導熱系數、獨特光學性能、超強導電性能等突出性能,被認為‘未來材料的寵兒’,將開啟一個萬億級的產業新時代,革命性地改變人們的生活?!敝袊鴩H石墨烯創新大會主席、清華大學博士、青島德通納米技術有限公司董事長蕭小月說。


“千人計劃”專家、山東省新材料領域專家、青島瑞利特新材料科技有限公司董事長侯士峰介紹,石墨烯的發展經歷了基礎研發、產業介入、產業化開始幾個階段,目前部分領域的產業化逐漸繁榮起來。從未來的光電子器件到復合材料,從半導體材料到生物應用,石墨烯研究幾乎涉及了材料領域的各種應用?!笆┎粌H僅是一個角色,更像是一個舞臺,物理學家、化學家、材料學家、醫學家……各種身份都能在這個舞臺上發現自己合適的角色?!焙钍糠逭f。


侯士峰介紹,目前國際石墨烯工業化應用領域,主要集中于用石墨烯做添加劑的復合材料,如防腐涂料、電池導電劑等。也有一些在信息技術、半導體器件領域的應用,但目前尚未成熟。


中國有較為廣泛的制造業基礎,因此石墨烯應用也主要集中于電池導電劑、散熱材料、防腐涂料、復合材料等行業,不過近年來石墨烯的研究和開發方向也逐漸向環境、器件等方向發展。尤其是青島,作為國內石墨烯產業化領域第一集團中的重要一員,目前在石墨烯功能與防腐涂料、電池導電劑、增強橡膠等領域已經實現了較好的發展,青島高新區、萊西、平度等都有相關研發機構和產業化布局。比如,擁有年產量5000噸高品質石墨烯導電導熱劑生產線的青島德通納米技術有限公司,就是我國長江以北最大的石墨烯漿料生產線基地及青島地區重要的石墨烯原料供應商之一。


被譽為“石墨烯之父”的諾獎得主安德烈·海姆教授曾這樣表示:“英國和美國是石墨烯研發方面的領頭羊,而中國毫無疑問是應用與開發方面的先行者?!?016年,他與蕭小月教授達成一致,以合伙人和首席科學家的名義加盟青島德通納米技術有限公司,通過合作,逐步將石墨烯產業向國際化發展方向推進。同時,為加速下游應用產品的開發,還成立了子公司青島德安新碳復合材料有限公司,針對輕質高強度石墨烯復合材料進行開發與生產,推動石墨烯復合材料在新能源汽車工業、航空航天、游艇及LED照明系統等產業上的應用。


石墨烯涂料:海洋防腐的“重器”

“石墨烯的高導電導熱性能及其化學穩定性和耐高溫特性在特種功能涂料領域具有重要的應用前景?!鼻鄭u德通納米技術公司總經理助理王忠強說。


“石墨烯涂料的應用實現了海洋工程重防腐涂料和電磁屏蔽涂料的產業升級?!蓖踔覐娊榻B說,相對于常用的防腐涂料,公司研制的石墨烯涂料具有韌性好、附著力強、耐水性好、硬度高等特點,在保證防腐效果的同時,大大降低了成本。目前,產品已批量應用于山東沿海海洋工程及市政工程設施等領域的涂裝保護,市場前景看好。


而在青島國際石墨烯(青島)產業研究院基地,青島瑞利特新材料科技有限公司研發的石墨烯除醛涂料在家裝涂料領域的成熟應用精彩呈現。瑞利特研發的抗甲醛涂料,利用化學方式,將室內空氣中游離的甲醛分解成水和二氧化碳,同時可以降解氮氧化物等空氣污染。也就是說,這一款涂料不僅不會造成室內甲醛污染,而且還兼具空氣凈化器的功能,將空氣中的甲醛進行分解。目前,瑞利特已開拓了廣州、重慶、連云港、鹽城等近40家城市合作商,形成了超百家合作商的銷售網絡。2018年,將建成瑞利特石墨烯產品生態家體驗館。


石墨烯導電劑:充電2小時縮短到10分鐘

在鋰離子電池中,石墨烯主要應用方向有三種,分別是作為正負極材料導電添加劑,用在銅箔或鋁功能涂層以及作為電極材料。位于平度蓼蘭鎮的青島昊鑫新能源科技有限公司,正進行著國家“青年千人計劃”專家、復旦大學博導董安鋼主持研發的石墨烯及碳納米管導電劑項目。


董安鋼介紹,他和他的團隊技術優勢就是革新了石墨剝離、分散兩步關鍵工藝,生產的石墨烯導電劑兼具生產成本低、雜質低、添加量少、導電性好、提高電池容量和循環使用壽命長等突出優點?!皳y算,我們供貨的一家企業如果所有導電劑換成石墨烯導電漿料,每月能節省成本2500萬元?!倍蹭撟院赖卣f。


“用石墨烯做導電劑,動力鋰電池的充電時間將從2小時縮短到10分鐘?!标祸涡履茉醇夹g總監張曉鴻告訴記者,在同等條件下,石墨烯的電阻率是傳統材料碳納米管的十分之一,是導電炭黑的四十分之一,導電效果顯著,同時電池衰減度顯著優于其他導電劑。作為全球為數不多的擁有從石墨原礦開采到最終產品完整產業鏈的企業,目前昊鑫新能源為比亞迪和國軒供應石墨烯導電劑,全套現代化工藝和設備年產天然石墨負極8000噸、人造石墨負極5000噸、碳納米管500噸、石墨烯500噸。


多功能形狀記憶性彈性體:石油完井工程的“好幫手” 

青島安固強石墨烯科技有限公司的實驗室及車間

位于青島高新區的青島安固強石墨烯科技有限公司研發的多功能形狀記憶性彈性體,打開了石墨烯材料應用的一個新領域。


這種通過將熱致型形狀記憶性彈性體與三種不同維度的導電性能物質(導電炭黑、碳納米管、石墨烯)復合,從而研發出的一類在電、熱外界刺激后具有形狀恢復能力的智能材料,是安固強科研團隊根據石油完井工程的市場需求,開發和制備出的石墨烯衍生下游應用產品中間體及官能化高分子材料。其關鍵技術是在不破壞導電納米材料的結構和高分子彈性體形狀記憶性功能的基礎上,使導電納米材料均勻分散并與化學交聯的形狀記憶性材料形成互穿網絡結構。


“傳統石油完井工程中,分層采油時使用傳統橡膠膨脹封隔器,下到設計位置后,要從井口向油管內加壓使橡膠封隔器膨脹封堵,或加壓到規定的壓力將卡瓦撐開,通過機械力壓縮膠筒使其膨脹,連接打壓裝置使工作效率極低。但有了這款形狀記憶性智能封隔器,井下膨脹無需井上打壓和下機械制動裝置到幾千米以下的封堵區,也不依賴于水或者油使之溶脹,設計好變形溫度的形狀記憶性彈性體材料可在指定位置利用已探知的溫度自動變形膨脹實施封堵?!卑补虖姵崭笨偨浝砝羁藦娬f,該科研技術還可以應用在建筑、醫療、包裝、汽車、玩具等領域。


石墨烯復合高導熱硅脂:讓電子元器件更長壽

“公司開發的石墨烯復合高導熱硅脂,讓電子產品提高了使用可靠性,延長了使用壽命?!鼻鄭u德通納米技術公司總經理助理王忠強介紹說。


作為德通公司自主研發的石墨烯下游應用產品的石墨烯復合高導熱硅脂,是添加石墨烯混合導熱填料復合而成的膏狀物,具有優異的熱傳導功能,是電子元器件理想的導熱介質材料。涂抹于電子、電氣裝置的散熱器裝配面,幫助填充功率器件與散熱器之間接觸面的空隙,從而產生更好的導熱作用,降低動率器件的工作溫度,提高產品可靠性并延長使用壽命。


王忠強說,這個產品可廣泛涂覆于各種電子產品、電氣設備中的發熱體(功率管、可控硅、電熱堆等)與散熱設施(散熱片、散熱條、殼體等)之間的接觸面,起傳熱媒介作用,適用于微波通訊、微波傳輸設備、微波專用電源、穩壓電源等各種微波器件的表面涂覆。此類硅材料對產生熱的電子元件,如晶體管、CPU組裝、熱敏電阻、溫度傳感器、汽車電子零部件、汽車冰箱、電源模塊、打印機頭等具有極佳的導熱效果。


石墨烯基鋰離子電容器:國際先進的青島“能量桶”

作為國內第一條鋰離子電容器的中試生產線,位于平度的中科院青能所中試基地成功生產了石墨烯基鋰離子電容器,2016年中國石油和化學工業聯合會組織的專家鑒定認為其總體達到國際先進水平,目前該產品已應用于城市電動自行車。


“我們研發出的石墨烯基鋰離子電容器,兼顧較高功率和較高能量密度,快充快放,非常適合作為‘能量桶’?!毖邪l負責人告訴記者,鋰離子電容器是一種兼具雙電層超級電容器高功率特性與較高能量密度特點的電化學儲能器件,其團隊研發出的高容量3500法拉第/4伏型鋰離子電容器含有石墨烯,因此與相同體積的普通電容器相比,容量更大,充放電時間更短。


據悉,城市軌道交通、城市電動汽車、電動大巴、船舶平臺、水下潛器等領域的制動能量回收系統,迫切需求石墨烯基鋰離子電容器這種高能量密度與高功率密度兼顧的“能量桶”。中科院青能所具有完全自主知識產權的石墨烯基鋰離子電容器,所有關鍵材料都是我國技術人員自主開發或是國內采購。據粗略統計,市場規??蛇_數十億元。


基于中科院青能所技術支撐的平度同和街道中科華仁石墨新材料產業園也正在穩步推進,規劃的石墨烯及相關產業規模100億元。


石墨烯漿料和粉體:工藝領先的“綠色制造”

位于萊西的青島德通納米技術有限公司自主研發的石墨烯綠色物理生產工藝在國內獨樹一幟,在國際國內相關行業都具有獨特性和領先性。


“工藝保存了石墨烯完整的晶格結構和優異的導電導熱等物理性能,并克服了因化學生產工藝而帶來的環境污染和安全隱患,且大幅度降低了石墨烯的生產成本?!鼻鄭u德通納米技術公司總經理助理王忠強說。


公司的主打產品——石墨烯漿料和石墨烯粉體便是公司通過物理法研發出的原材料?!跋裎毒粯犹砑拥匠R幃a品中,可以顯著提升性能?!?王忠強告訴記者,將少量石墨烯添加到橡膠中,導熱系數可提高25到30倍,不僅提高了輪胎的安全系數,而且有效延長輪胎的使用壽命。


據介紹,石墨烯漿料具備超強的分散性、優異的穩定存放性、極高導電導熱和極強的吸附能力,可廣泛應用于儲能和動力電池、新能源、太陽能、電子元件、電子工藝工程、印刷、抗靜電、電磁屏蔽、符合材料等領域。


石墨烯粉體較好地保存了石墨烯完整的晶格結構和優良的導電導熱物理特性,還原性好,分布均勻,性能穩定;容易與其它材料如高分子樹脂和橡膠等均勻符合,具有優異的機械強度、導電、導熱性能、良好的潤滑、耐高溫高鹽和抗腐蝕性,應用領域廣泛,前景廣闊。


石墨烯涂層:提高鎂合金顏值的“秘方”

表面粗糙,且都被氧化發黃,即使是新件看上去也像是要報廢的產品一樣,這種對傳統鎂合金棒的認知,在青島高新區石墨烯產業園的卡爾奔新材料公司被顛覆——卡爾奔生產出來的鎂合金棒,表面光滑平整、如鏡面亮潔。


技術主要發明人姜海濱告訴記者,能把鎂合金棒做得這么光潔,秘訣就在于模具上接觸鎂合金的位置上,有一小片石墨烯涂層。在鎂合金熱擠壓模具表面生成的這一層僅有幾百納米厚度的石墨烯涂層,使模具不僅耐高溫,還有高硬度、低摩擦系數等優良特性,避免擠壓出的鎂合金型材組織結構不均勻和表面氧化的現象,同時提高鎂合金型材的擠壓速度30%以上。


“國內有很多高校和實驗室都在研究解決鎂合金變形難題,共同的難點是加在模具上的涂層在高溫環境中很容易脫落。我們的涂層則不同,是通過營造特殊的環境,使材料‘生長’在模具表面?!苯I介紹說,經過反復實驗,石墨烯涂層模具完全能實現1毫米以內鎂合金型材的擠壓,也為實現高端鎂合金型材產業化提供了技術保障。


“石墨烯的這一應用帶來了整個鎂合金產業的升級?!苯I表示。





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