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大揭秘!青岛石墨烯产业有哪些“看家本领”?
更新时间:2018-05-04 浏览数:
2018-05-04 烯碳资讯



导读

它可以让锂电池充电只需10分钟,让电子元器件“延年益寿”;它是海工产品的防腐“重器”、石油完井工程的“好帮手”、镁合金的“美容剂”、电动自行车的“能量桶”,它就是神奇材料石墨烯!

自2004年石墨烯被发现以来,世界多国对其制备技术和应用研发爆发出空前热情。石墨烯新材料产业也是我国大力支持的产业、山东省新旧动能转换重大工程确定的“十强产业”之一。青岛是全国率先引入石墨烯新材料研发及制备的城市之一,并在全国拥有较高的产业地位。目前在青岛围绕石墨烯产品的研制都有哪些“神奇”的故事正在发生?本报记者进行了一番梳理。


专家谈石墨烯研发与应用:
——将“革命性地改变生活” 开启万亿级产业新时代 ,青岛处于国内石墨烯产业化领域“第一集团”

“石墨烯是世界上最薄、最坚硬的纳米材料,具有超高强度、超高导热系数、独特光学性能、超强导电性能等突出性能,被认为‘未来材料的宠儿’,将开启一个万亿级的产业新时代,革命性地改变人们的生活。”中国国际石墨烯创新大会主席、清华大学博士、青岛德通纳米技术有限公司董事长萧小月说。


“千人计划”专家、山东省新材料领域专家、青岛瑞利特新材料科技有限公司董事长侯士峰介绍,石墨烯的发展经历了基础研发、产业介入、产业化开始几个阶段,目前部分领域的产业化逐渐繁荣起来。从未来的光电子器件到复合材料,从半导体材料到生物应用,石墨烯研究几乎涉及了材料领域的各种应用。“石墨烯不仅仅是一个角色,更像是一个舞台,物理学家、化学家、材料学家、医学家……各种身份都能在这个舞台上发现自己合适的角色。”侯士峰说。


侯士峰介绍,目前国际石墨烯工业化应用领域,主要集中于用石墨烯做添加剂的复合材料,如防腐涂料、电池导电剂等。也有一些在信息技术、半导体器件领域的应用,但目前尚未成熟。


中国有较为广泛的制造业基础,因此石墨烯应用也主要集中于电池导电剂、散热材料、防腐涂料、复合材料等行业,不过近年来石墨烯的研究和开发方向也逐渐向环境、器件等方向发展。尤其是青岛,作为国内石墨烯产业化领域第一集团中的重要一员,目前在石墨烯功能与防腐涂料、电池导电剂、增强橡胶等领域已经实现了较好的发展,青岛高新区、莱西、平度等都有相关研发机构和产业化布局。比如,拥有年产量5000吨高品质石墨烯导电导热剂生产线的青岛德通纳米技术有限公司,就是我国长江以北最大的石墨烯浆料生产线基地及青岛地区重要的石墨烯原料供应商之一。


被誉为“石墨烯之父”的诺奖得主安德烈·海姆教授曾这样表示:“英国和美国是石墨烯研发方面的领头羊,而中国毫无疑问是应用与开发方面的先行者。”2016年,他与萧小月教授达成一致,以合伙人和首席科学家的名义加盟青岛德通纳米技术有限公司,通过合作,逐步将石墨烯产业向国际化发展方向推进。同时,为加速下游应用产品的开发,还成立了子公司青岛德安新碳复合材料有限公司,针对轻质高强度石墨烯复合材料进行开发与生产,推动石墨烯复合材料在新能源汽车工业、航空航天、游艇及LED照明系统等产业上的应用。


石墨烯涂料:海洋防腐的“重器”

“石墨烯的高导电导热性能及其化学稳定性和耐高温特性在特种功能涂料领域具有重要的应用前景。”青岛德通纳米技术公司总经理助理王忠强说。


“石墨烯涂料的应用实现了海洋工程重防腐涂料和电磁屏蔽涂料的产业升级。”王忠强介绍说,相对于常用的防腐涂料,公司研制的石墨烯涂料具有韧性好、附着力强、耐水性好、硬度高等特点,在保证防腐效果的同时,大大降低了成本。目前,产品已批量应用于山东沿海海洋工程及市政工程设施等领域的涂装保护,市场前景看好。


而在青岛国际石墨烯(青岛)产业研究院基地,青岛瑞利特新材料科技有限公司研发的石墨烯除醛涂料在家装涂料领域的成熟应用精彩呈现。瑞利特研发的抗甲醛涂料,利用化学方式,将室内空气中游离的甲醛分解成水和二氧化碳,同时可以降解氮氧化物等空气污染。也就是说,这一款涂料不仅不会造成室内甲醛污染,而且还兼具空气净化器的功能,将空气中的甲醛进行分解。目前,瑞利特已开拓了广州、重庆、连云港、盐城等近40家城市合作商,形成了超百家合作商的销售网络。2018年,将建成瑞利特石墨烯产品生态家体验馆。


石墨烯导电剂:充电2小时缩短到10分钟

在锂离子电池中,石墨烯主要应用方向有三种,分别是作为正负极材料导电添加剂,用在铜箔或铝功能涂层以及作为电极材料。位于平度蓼兰镇的青岛昊鑫新能源科技有限公司,正进行着国家“青年千人计划”专家、复旦大学博导董安钢主持研发的石墨烯及碳纳米管导电剂项目。


董安钢介绍,他和他的团队技术优势就是革新了石墨剥离、分散两步关键工艺,生产的石墨烯导电剂兼具生产成本低、杂质低、添加量少、导电性好、提高电池容量和循环使用寿命长等突出优点。“据测算,我们供货的一家企业如果所有导电剂换成石墨烯导电浆料,每月能节省成本2500万元。”董安钢自豪地说。


“用石墨烯做导电剂,动力锂电池的充电时间将从2小时缩短到10分钟。”昊鑫新能源技术总监张晓鸿告诉记者,在同等条件下,石墨烯的电阻率是传统材料碳纳米管的十分之一,是导电炭黑的四十分之一,导电效果显著,同时电池衰减度显著优于其他导电剂。作为全球为数不多的拥有从石墨原矿开采到最终产品完整产业链的企业,目前昊鑫新能源为比亚迪和国轩供应石墨烯导电剂,全套现代化工艺和设备年产天然石墨负极8000吨、人造石墨负极5000吨、碳纳米管500吨、石墨烯500吨。


多功能形状记忆性弹性体:石油完井工程的“好帮手” 

青岛安固强石墨烯科技有限公司的实验室及车间

位于青岛高新区的青岛安固强石墨烯科技有限公司研发的多功能形状记忆性弹性体,打开了石墨烯材料应用的一个新领域。


这种通过将热致型形状记忆性弹性体与三种不同维度的导电性能物质(导电炭黑、碳纳米管、石墨烯)复合,从而研发出的一类在电、热外界刺激后具有形状恢复能力的智能材料,是安固强科研团队根据石油完井工程的市场需求,开发和制备出的石墨烯衍生下游应用产品中间体及官能化高分子材料。其关键技术是在不破坏导电纳米材料的结构和高分子弹性体形状记忆性功能的基础上,使导电纳米材料均匀分散并与化学交联的形状记忆性材料形成互穿网络结构。


“传统石油完井工程中,分层采油时使用传统橡胶膨胀封隔器,下到设计位置后,要从井口向油管内加压使橡胶封隔器膨胀封堵,或加压到规定的压力将卡瓦撑开,通过机械力压缩胶筒使其膨胀,连接打压装置使工作效率极低。但有了这款形状记忆性智能封隔器,井下膨胀无需井上打压和下机械制动装置到几千米以下的封堵区,也不依赖于水或者油使之溶胀,设计好变形温度的形状记忆性弹性体材料可在指定位置利用已探知的温度自动变形膨胀实施封堵。”安固强常务副总经理李克强说,该科研技术还可以应用在建筑、医疗、包装、汽车、玩具等领域。


石墨烯复合高导热硅脂:让电子元器件更长寿

“公司开发的石墨烯复合高导热硅脂,让电子产品提高了使用可靠性,延长了使用寿命。”青岛德通纳米技术公司总经理助理王忠强介绍说。


作为德通公司自主研发的石墨烯下游应用产品的石墨烯复合高导热硅脂,是添加石墨烯混合导热填料复合而成的膏状物,具有优异的热传导功能,是电子元器件理想的导热介质材料。涂抹于电子、电气装置的散热器装配面,帮助填充功率器件与散热器之间接触面的空隙,从而产生更好的导热作用,降低动率器件的工作温度,提高产品可靠性并延长使用寿命。


王忠强说,这个产品可广泛涂覆于各种电子产品、电气设备中的发热体(功率管、可控硅、电热堆等)与散热设施(散热片、散热条、壳体等)之间的接触面,起传热媒介作用,适用于微波通讯、微波传输设备、微波专用电源、稳压电源等各种微波器件的表面涂覆。此类硅材料对产生热的电子元件,如晶体管、CPU组装、热敏电阻、温度传感器、汽车电子零部件、汽车冰箱、电源模块、打印机头等具有极佳的导热效果。


石墨烯基锂离子电容器:国际先进的青岛“能量桶”

作为国内第一条锂离子电容器的中试生产线,位于平度的中科院青能所中试基地成功生产了石墨烯基锂离子电容器,2016年中国石油和化学工业联合会组织的专家鉴定认为其总体达到国际先进水平,目前该产品已应用于城市电动自行车。


“我们研发出的石墨烯基锂离子电容器,兼顾较高功率和较高能量密度,快充快放,非常适合作为‘能量桶’。”研发负责人告诉记者,锂离子电容器是一种兼具双电层超级电容器高功率特性与较高能量密度特点的电化学储能器件,其团队研发出的高容量3500法拉第/4伏型锂离子电容器含有石墨烯,因此与相同体积的普通电容器相比,容量更大,充放电时间更短。


据悉,城市轨道交通、城市电动汽车、电动大巴、船舶平台、水下潜器等领域的制动能量回收系统,迫切需求石墨烯基锂离子电容器这种高能量密度与高功率密度兼顾的“能量桶”。中科院青能所具有完全自主知识产权的石墨烯基锂离子电容器,所有关键材料都是我国技术人员自主开发或是国内采购。据粗略统计,市场规模可达数十亿元。


基于中科院青能所技术支撑的平度同和街道中科华仁石墨新材料产业园也正在稳步推进,规划的石墨烯及相关产业规模100亿元。


石墨烯浆料和粉体:工艺领先的“绿色制造”

位于莱西的青岛德通纳米技术有限公司自主研发的石墨烯绿色物理生产工艺在国内独树一帜,在国际国内相关行业都具有独特性和领先性。


“工艺保存了石墨烯完整的晶格结构和优异的导电导热等物理性能,并克服了因化学生产工艺而带来的环境污染和安全隐患,且大幅度降低了石墨烯的生产成本。”青岛德通纳米技术公司总经理助理王忠强说。


公司的主打产品——石墨烯浆料和石墨烯粉体便是公司通过物理法研发出的原材料。“像味精一样添加到常规产品中,可以显著提升性能。” 王忠强告诉记者,将少量石墨烯添加到橡胶中,导热系数可提高25到30倍,不仅提高了轮胎的安全系数,而且有效延长轮胎的使用寿命。


据介绍,石墨烯浆料具备超强的分散性、优异的稳定存放性、极高导电导热和极强的吸附能力,可广泛应用于储能和动力电池、新能源、太阳能、电子元件、电子工艺工程、印刷、抗静电、电磁屏蔽、符合材料等领域。


石墨烯粉体较好地保存了石墨烯完整的晶格结构和优良的导电导热物理特性,还原性好,分布均匀,性能稳定;容易与其它材料如高分子树脂和橡胶等均匀符合,具有优异的机械强度、导电、导热性能、良好的润滑、耐高温高盐和抗腐蚀性,应用领域广泛,前景广阔。


石墨烯涂层:提高镁合金颜值的“秘方”

表面粗糙,且都被氧化发黄,即使是新件看上去也像是要报废的产品一样,这种对传统镁合金棒的认知,在青岛高新区石墨烯产业园的卡尔奔新材料公司被颠覆——卡尔奔生产出来的镁合金棒,表面光滑平整、如镜面亮洁。


技术主要发明人姜海滨告诉记者,能把镁合金棒做得这么光洁,秘诀就在于模具上接触镁合金的位置上,有一小片石墨烯涂层。在镁合金热挤压模具表面生成的这一层仅有几百纳米厚度的石墨烯涂层,使模具不仅耐高温,还有高硬度、低摩擦系数等优良特性,避免挤压出的镁合金型材组织结构不均匀和表面氧化的现象,同时提高镁合金型材的挤压速度30%以上。


“国内有很多高校和实验室都在研究解决镁合金变形难题,共同的难点是加在模具上的涂层在高温环境中很容易脱落。我们的涂层则不同,是通过营造特殊的环境,使材料‘生长’在模具表面。”姜海滨介绍说,经过反复实验,石墨烯涂层模具完全能实现1毫米以内镁合金型材的挤压,也为实现高端镁合金型材产业化提供了技术保障。


“石墨烯的这一应用带来了整个镁合金产业的升级。”姜海滨表示。





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