中航工業石墨烯及其復合材料研究取得突破性進展
文章來源：規劃發展局、信息中心 發布時間：2016-01-04
石墨烯是一種由碳原子組成的平面薄膜，只有一個碳原子厚度，幾乎完全透明。石墨烯復合材料具有強度高、韌性好、導電、導熱性能優異等特性，在航空航天、電子、船舶、新能源、環境凈化等領域具有廣闊的應用前景。
圖1：石墨烯原子結構
中航工業高度關注石墨烯等顛覆性新材料對傳統材料的影響，以及新型材料對先進裝備發展的促進作用。為推進相關領域科技創新，中航工業打破固有研發體制束縛，打造了以年輕博士為主的多學科交叉、技術體系完整、創新研究與應用研究為一體的創新團隊，為推進新技術研發和工程應用奠定了基礎。十年來，中航工業沿著從實驗室研究到工程化研究，再到批產技術研究的路徑，系統掌握了高品質石墨烯納米片、功能化石墨烯和石墨烯薄膜的工業化制備技術。緊抓“創新驅動、需求牽引”的發展思路，圍繞“加快基礎材料升級換代”的主題，針對現有傳統材料不足，充分發揮石墨烯在力學性能、電學性能和熱學性能方面的優勢，在國際上首次提出了石墨烯隱身材料、石墨烯防彈材料等概念，研究范圍涵蓋了包括金屬、非金屬等在內的22類新材料，在我國軍事裝備、新能源交通工具和環境友好裝備等領域展現出良好的應用前景。目前，第一個石墨烯產業化公司已落戶天津。
在環境凈化材料領域，中航工業已研制出一系列超輕、強吸附、高過濾的石墨烯海綿、石墨烯氣凝膠和石墨烯纖維多孔材料等石墨烯基復合材料。實驗數據顯示，每1克這類材料能吸附超過100毫克甲醛、二氧化硫、氨氣等有毒有害氣體，或吸附超過20克對甲基藍、四氯化碳等有機污染物，對于造成嚴重污染的煙氣混合排放物也具有良好的吸附效果。應用這類材料可制成用于空氣凈化裝置的空氣過濾芯、海上油污處理的吸油氈、煙道除塵凈化的布袋除塵器或濕式除塵器濾芯等。石墨烯吸附材料可多次回收利用，在空氣凈化、油污處理、煙氣吸附領域具有廣泛的應用前景。
在電池材料領域，中航工業采用石墨烯納米片、碳納米管和導電炭黑三元復合，開發出具有超大比表面積、超高導電性能、超多活化點的復合導電漿料，實現了電導率可控和高穩定性。這種導電漿料有效解決了鋰離子電池正極材料導電性差、電池低溫性能下降等問題，顯著提高了電池循環性能。石墨烯應用在高能量密度和高功率密度的鋰離子電池中，有助于鋰離子電池和清潔能源動力電池等產業的升級發展。
在導電材料領域，中航工業通過將石墨烯納米片添加到鋁合金、銅合金、鈦合金和高溫合金等中，增加其拉伸強度和韌性，使合金的熱導率、導電性等功能特性得到優化。目前，該研究中心已突破石墨烯鋁導體設計及制備技術，制備出同時兼具鋁合金導線強度和純鋁電導率的新一代石墨烯鋁導線；突破石墨烯銅觸頭和石墨烯復合銅導線的設計及制備技術，有望在相同輸電能力前提下大幅降低高壓導線銅材用量；突破石墨烯半導電材料設計及制備技術，制備出了同心高壓導線用半導電屏蔽材料。以上原創性技術都已形成發明專利、材料標準和工藝規范等成套技術文件，為實現石墨烯技術在電線電纜材料上的系列化應用奠定了技術基礎。
圖2：石墨烯的添加對鈦合金導熱系數的影響
在電子封裝材料領域，中航工業通過將石墨烯納米片添加到鋁合金中，開發出了線膨脹系數可控的新一代高性能電子封裝材料。與傳統的鋁-硅合金相比，這種材料的導熱性能提升1倍以上，強度提升90%；與鋁-碳化硅材料相比，導熱性能提升50%，價格降低一半。這種材料可用于雷達收發模塊封裝、大功率半導體器件底板等，對相關產業的技術升級具有重要意義。
下一步，中航工業將在石墨烯材料領域持續開展自主創新研究，并進一步拓展石墨烯在航空航天、能源、電子和生物等領域的應用，未來有望形成多個產業集群，給相關新材料領域帶來革命性的變化。
同時，國資委將進一步跟蹤石墨烯及其復合材料技術研究進度，推動中央企業積極參與應用推廣，促進相關產業發展和中央企業轉型升級。
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