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大国烯材,高烯科技“石墨烯基碳纤维”发布
2022-11-21 09:03:06 来源: 浏览:212

11月19日,第九届中国国际石墨烯创新大会开幕式在上海召开。一项将重塑全球石墨烯科技及产业格局的中国原创技术成果,在开幕式上隆重发布:高导热-石墨烯基碳纤维!

本次首发的“高导热-石墨烯基碳纤维”是杭州高烯科技有限公司自主研发生产、全球首个且唯一的以氧化石墨烯液晶作为前驱体制备而成的新一代高导热碳纤维。

01 何为碳纤维?

碳纤维指的是含碳量在90%以上的高性能纤维。细如发丝,却坚如磐石。比钢强,却比铝轻。拥有碳材料的性能,还兼具纺织纤维的可编织性。凭借着质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等系列优异特性,碳纤维在航空航天、军事装备、土木工程、轨道交通、竞技体育等诸多领域大显身手。

根据前驱体及加工过程的不同,市场上的碳纤维主要有聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和少量的粘胶基碳纤维。其中,中间相沥青基碳纤维具有高模量、高导热、低膨胀系数等性能优势,是世界上产量最大、应用最广的高导热型碳纤维。

02 奋力突破卡脖子技术

长期以来,碳纤维技术被美国、日本等少数国家垄断。美国及西方多国缔约《巴黎统筹委员议》及《瓦森纳协议》对我国在碳纤维技术等领域实施禁运封锁。

关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的,只有把核心技术掌握在自己手中,才能保障经济安全和国防安全。

20世纪60年代,我国开始研究碳纤维。多年来,在高强度碳纤维领域取得了突破,已实现量产。但高导热碳纤维,基本还处于行业空白。面对风云变幻的国际形势,必须尽快开发出国产高导热碳纤维。

要跳出西方技术的包围圈,最好的办法就是原创!不受传统思维和路线的束缚,从理论到模型,再到工程及产品,统统重来。颠覆传统,向死而生。

这可能吗?

可能!石墨烯纤维,或称石墨烯基碳纤维,以石墨烯为构筑基元组装而成的新型碳纤维,应运而生,并给出了响亮的回答。

03 另辟蹊径,石墨烯纤维换道超车

高烯科技创始人、首席科学家,浙江大学高超教授,早在2011年就提出了“石墨烯纤维”的概念,开创“石墨——单层氧化石墨烯——碳纤维”的全新技术路线。石墨烯纤维强而韧,可打结,可编织,其打结图曾入选《自然》杂志2011年度全球最具影响力图像之一,并被自然新闻高度评价,认为“石墨烯具有优异的力学、电学、热学、光学等多项物理性能,但要驾驭这些性能,必须找到能将纳米级粒子转化为宏观材料的方法,来自浙江大学的许震和高超实现了这一愿望”。历经十年,在产学研协同推进下,团队构建了二维大分子成纤理论模型,相继攻克了“纺丝级原料量产”、“缺陷控制”、“塑化拉伸”等技术难题,于2021年成功制备出高导热型石墨烯基碳纤维丝束,为规模化生产奠定了基础。相关成果获得国家自然基金委重大项目资助,并荣获2021年度浙江省自然科学奖一等奖。

高导热石墨烯基碳纤维,以大尺寸的二维石墨烯片为构筑基元和基因。发明人高超教授将其技术优势概括为“四新”:

1)新路线

传统高导热碳纤维遵循石油化工制备路径:石油→中间相沥青→高导热碳纤维。

高超教授带领团队大胆创新,跳出固有框架,建立原创新理论,开辟独特的技术路线:石墨→单层氧化石墨烯液晶→高导热石墨烯基碳纤维。

2)新原理

在传统碳纤维“分子裂解融合”机制外,高超教授团队建立了“片-片互锁组装”新理论模型。

石墨烯基碳纤维的联合发明人,浙江大学许震特聘研究员认为,传统碳纤维是“链-链缠结”模型,晶区小、晶界缺陷多,难以实现较高的导热性。而石墨烯基碳纤维是“片-片互锁”模型,分子间力、电、热的传导性能更好,为实现碳纤维的高导热提供了可能。

3)新性能

石墨烯基碳纤维突破了传统碳纤维的小晶筹局限,可以实现大晶筹,达到结构功能一体化。

高导热-石墨烯基碳纤维的多项技术指标领先全球:导热系数达1200-1400 W/mk,高于美国氰特公司沥青基王牌高导热碳纤维K1100的950 W/mk,远高于日本三菱化学沥青基碳纤维的800 W/mk;伸长率达1.1-2.8%,超过沥青基碳纤维的0.3-0.4%,可编织性更好;拉伸模量达400-800 GPa、拉伸强度达3-5 GPa。

因此,这是一种极具潜力的新型碳纤维。在高导热的基础上,石墨烯基碳纤维将向高模量、高强度、高功能结构功能一体化进发。

​(4)新体系

石墨烯基碳纤维作为新的碳纤维品种,意味着要建立新的知识产权体系和技术体系。

高烯科技联合创始人孙海燕博士认为,制备高导热石墨烯基碳纤维的首要难题是全单层氧化石墨烯的量产技术。浆料中的杂质可能会造成堵孔、断裂、飘丝等诸多问题,只有高纯度全单层石墨烯才能实现纺丝。

第二个难题是从单丝到丝束的制备技术。高烯科技联合创始人韩燚博士表示,从单丝到百丝束,再到千丝束,千余个控制点变量,可排列组合出无数种可能。历经数万次实验改进,团队攻克了“缺陷控制”、“塑化拉伸”等技术难题,实现了单丝向丝束的跃进。高烯科技建立了全单层氧化石墨烯+石墨烯纤维的制备技术体系,拥有全链条自主知识产权,技术壁垒高。

石墨烯产业技术创新战略联盟理事长李义春,在开幕式上亲手为“高导热-石墨烯基碳纤维”全球发布揭幕,并评价到:“石墨烯从诞生的那一刻起,人类就给它赋予了两个梦想,一个是打破硅基进入碳基时代,另一个就是用石墨烯做成纯碳纤维。未来的太空电梯,就是要靠石墨烯纤维来支撑的,因它的强度、刚度等卓越的性能可以满足这个构想。今天,高烯科技“高导热-石墨烯基碳纤维”的诞生,虽是碳纤维探索上的一小步,但却是石墨烯产业发展史上的一大步!”

高导热-石墨烯基碳纤维的诞生,从理论到实践皆是原创,是真正意义上的“大国新材”,为我国关键材料自主自控提供了重要路径。这是未来空天重要装备的关键材料,也是动力装备更快、更高、更轻永恒追求不可或缺的理想材料,在航空航天、轨道交通、新能源汽车等领域具有广阔应用前景。

上海交通大学教授,中国科学院院士颜德岳先生认为,“石墨烯基碳纤维是0到1换道探索和超越的创举,贯通产-学-研-用,前景广阔、意义重大!”

展望未来,石墨烯基碳纤维技术的攻克,将带来工程、装备、控制、复材等一系列相关领域的变革,高烯科技及高超教授团队已踏上新征程,走向星辰大海!

Tags:大国 高烯 科技 石墨 碳纤维 全球 首发 责任编辑:少枫
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