Graphene tager fart i kompositter til fly og biler

Graphene Flagship samlede top europæiske forskere og virksomheder for at diskutere de mest forstyrrende måder, grafen kan forbedre kompositter, der bruges i rumfart, bil- og energiindustrien. Det tværfaglige team involverede forskere fra akademiske institutioner, forretningsvirksomheder som Graphene Flagship Partners Nanesa og Avanzare, og store transportbrugerindustrier, såsom Graphene Flagship Partners Airbus og Fiat. De viste, at integrering af grafen og beslægtede materialer (GRM'er) i fiberforstærkede kompositter (FRC'er) har et stort potentiale for at forbedre vægt og styrke, og hjælper med at overvinde flaskehalse, der begrænser anvendelsen af ​​disse kompositter i fly, biler, vindmøller og mere. I dag, transportindustrien er ansvarlig for næsten en tredjedel af den globale energibehov, og det er den største kilde til forurening og drivhusgasemissioner i byområder. Forskere fra Graphene Flagship forsøger derfor løbende at udvikle nye materialer til lavere brændstofforbrug og CO ₂ emissioner, hjælpe med at afbøde miljøskader og klimaændringer.

Graphene-integrerede kompositter er et eksempel på lettere materialer med stort potentiale for brug i køretøjsrammer. De er konstrueret ved at introducere grafenplader, et par milliarddele af en meter tyk, i hierarkiske fiberkompositter som nano-additiver. Hierarkiske fiberkompositter er en type kompositmateriale, hvor komponenter i forskellige størrelser kombineres på en kontrolleret måde for væsentligt at forbedre mekaniske egenskaber. De består typisk af mikro- eller mesoskopiske kulfiber, et par milliontedele af en meter tyk, fastgjort til en polymermatrix, og de bruges allerede som byggematerialer til fremstilling af køretøjer i alle former og størrelser.

Graphens høje billedformat, høj fleksibilitet og mekanisk styrke gør det muligt at øge styrken af ​​svage punkter i disse kompositter, f.eks. ved grænsefladen mellem to forskellige komponenter. Dens afstemmelige overfladekemi betyder også, at interaktioner med kulfiber og polymermatrix kan justeres efter behov. Fiberen, polymermatrix og grafenlag arbejder alle sammen for at fordele mekanisk spænding, hvilket resulterer i et materiale med forbedret styrke og andre gavnlige egenskaber.

Der er mange udfordringer at overveje. For eksempel, fly oplever temperaturændringer mellem 20 ° C og -40 ° C hver gang de letter og lander, med store forskelle i tryk og fugtighed. Grafenintegrerede kompositter skal derfor modstå vandkondensering og endda frysning inde i flykroppen. De skal også udholde lynangreb, som sker flere gange om måneden, så grafens ledende egenskaber skal udnyttes for at skabe en elektrisk ledende ramme, der modstår elektromagnetiske impulser. I biler, nye konstruktionsmaterialer skal kunne modstå crashtest og være lette nok til at sikre brændstofeffektivitet. Forskere fra Graphene Flagship undersøger også ledende materialer til udskiftning af kredsløb i bilens dashboards.

Forskere og slutbrugere kommer sammen

Graphene Flagship -partnere ved Queen Mary University og National Graphene Institute, Storbritannien, FORTH-Hellas, Grækenland, CNR, Italien, og Chalmers University of Technology, Sverige, samarbejdede med forskere ved University of Turin, University of Trento og KET-LAB, Italien, og universitetet i Patras, Grækenland, at give perspektiver fra forskningsmiljøet. De arbejdede med forskere på Graphene Flagship -partnervirksomheder Nanesa, Italien, og Avanzare, Spanien, at gennemgå den teknologiske levedygtighed af grafen-inkorporerede FRC'er.

Francesco Bertocchi, medforfatter af papiret og præsident for Nanesa, mener, at grafen-inkorporerede FRC'er faktisk er mulige til køretøjsdesign, og har skabt nye kompositter med mange væsentlige egenskaber for transportindustrien. "Takket være Graphene Flagship, Nanesa har arbejdet i tæt synergi med mange partnere for at skabe mange forskellige prototyper. Disse omfatter egenskaber som flammehæmning, vanddampabsorberingsbarriere, høj elektrisk og termisk ledningsevne, og EMI -afskærmning. Vi har også integreret termo-resistive systemer til afisning og isdannelse, " han siger.

Graphene Flagship Partners Airbus og Fiat-Chrysler Automobiles, verdens førende rumfarts- og bilindustri, vurderet virkningen af ​​grafen-inkorporerede FRC'er på luftfarts- og bilindustrien og vurderet deres kommercielle levedygtighed.

Tamara Blanco-Varela, medforfatter og materiale- og procesingeniør hos Airbus, forklarer, at Airbus arbejder hårdt på at gøre disse materialer levedygtige til brug i nye flymodeller. "Vi ved alle, at luftfartssektoren er meget udfordrende for introduktionen af ​​nye materialer eller teknologier. Airbus er forpligtet til at få grafenrelaterede materialer til at flyve hurtigst muligt, og en trin-for-trin tilgang er ved at blive oprettet, "siger hun. Ved at vælge 'quick-win' applikationer med umiddelbare fordele for luftfartsindustrien, hun forudser, at grafenintegrerede FRC'er snart vil nå markedet.

"Et eksempel er at bruge disse materialer til anti- og afisning-formål i fly, for hvilke Airbus vil være førende aktiviteter rettet mod kommerciel udnyttelse af denne teknologi. Vi håber, at det når et højt modenhedsniveau, med et målberedskabsniveau mellem fem og seks, i de næste par år. "

Brunetto Martorana, medforfatter og forsker hos Graphene Flagship-partner Fiat-Chrysler Automobiles, tilføjer:"De interessante strukturelle egenskaber ved grafen har åbnet et interessant vindue til design af nye lyskompositter." Han forklarer, at nye lette kompositmaterialer ikke nødvendigvis behøver at være lavere i styrke og indføre sikkerhedsproblemer. "Der skal findes nye tilgange til at forbedre kompositmaterialernes 'crashworthiness' - og grafenkompositter kan muligvis udfylde den rolle, "fortsætter han. Fiat-Chrysler Automobiles har nu forpligtet sig til kommercialisering af nye kompositmaterialer, og vil lede et nyt initiativ for at bringe denne teknologi på markedet. "

Et opløftende syn

"Graphene Flagship giver et stabilt, klar, langvarigt partnerskab for forskellige partnere til at arbejde sammen. De startede alle deres samarbejde som en del af vores Composites Work Package, "kommenterer Vincenzo Palermo, Graphene Flagship Vice-Director og hovedforfatter af papiret. "Flagens flagskib presser alle partnere til at have hyppige interaktioner, med regelmæssige møder - som i dette tilfælde, partnere, der begyndte at arbejde på grafen med forskellige motiver, er gået sammen om at løse fælles udfordringer, " han siger.

Galiotis, lederen af ​​Graphene Flagship's Composites Work Package, udtrykker, at dette samarbejde har været yderst værdifuldt. "Dette er en omfattende gennemgang af arbejdet i Graphene Flagship, og andre steder, at bekræfte, at tilføjelsen af ​​GRM'er giver fordele for mange applikationer inden for luftfart, bil, energi- og fritidsindustrier. "Galiotis udtrykker særlig interesse for anmeldelseens analyse af de bedste måder at behandle GRM'er til kompositter på, effekten af ​​dette på den samlede sammensatte ydelse, og de udfordringer, forskere står over for i søgen efter højtydende kompositter. "Samlet set, Jeg tror, ​​at dette er en rettidig gennemgangsartikel for kompositfeltet, som bør læses med interesse af alle parter, der er involveret i sammensat udvikling og brug, "slutter han.

Andrea C. Ferrari, Videnskabs- og teknologibetjent for Graphene Flagship og formand for dets ledelsespanel, kommentarer:"Dette papir viser lederskabet for store virksomheder og små virksomheder, alle partnere i Graphene Flagship, i at tage grafenkompositter på markedet i de næste par år. Dette viser endnu engang den konstante fremgang i Graphene Flagship langs dets køreplan for teknologi og innovation. "