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2017年重點新材料之前沿新材料

2018-09-04 14:06:00 淄博啟明星新材料股份有限公司 閱讀

    為貫徹落實《新材料產業發展指南》,工業和信息化部、財政部和保監會擬建立重點新材料首批次應用保險補償機制并開展試點工作。為此,原材料工業司組織編制了《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2017年版)》(下文簡稱“目錄”),并于2017年6月16日公示。

本次公布的目錄主要涉及先進基礎材料、關鍵戰略材料、前沿新材料等三大類。其中,先進基礎材料包括先進鋼鐵材料、先進有色金屬材料、先進化工材料、先進無機非金屬材料及其他材料;關鍵戰略材料包括高性能纖維及復合材料、稀土功能材料、先進半導體材料和新型顯示材料。

為增進讀者對相關重點新材料的了解,礦冶園對目錄所公示的各類新材料進行了簡要解讀,并以系列圖文的形式進行推送。本文主要介紹重點新材料中的前沿新材料。

石墨烯薄膜

2017年重點新材料之前沿新材料

1、性能要求:

可見光區平均透過率優于85%,面電阻值<10歐姆,面電阻穩定且分布均勻;具有彎曲性能,在ITO膜失效的情況下,可以承受超過10000次的循環彎曲實驗。

2、應用領域:

微電子、新能源

3、特點分析:

石墨烯由于結構獨特、性能優異、理論研究價值高、應用遠景廣闊而備受關注。氧化石墨烯(GO)是含有豐富含氧官能團的石墨烯衍生物,可通過化學氧化剝離廉價的石墨而得,隨后通過還原處理可制成石墨烯。氧化石墨烯(GO)具有良好的水溶性,易于成膜。于是可利用氧化石墨烯(GO)溶液成膜,再對氧化石墨烯薄膜進行還原處理而制成的石墨烯透明導電膜,它是石墨烯重要應用之一,石墨烯透明導電膜以其資源豐富、良好的化學穩定性和柔韌性有可能取代資源缺乏、脆性的銦錫氧化物(ITO)成為新一代的透明導電膜,在柔性顯示領域表現出巨大的應用潛力。

4、制備方法:

因為GO具有良好的水溶性,易于成膜,故利用GO經還原制備石墨烯已成為低本錢、宏量制備石墨烯的一個重要途徑,對促進石墨烯的宏量應用具有重大意義。先利用GO溶液成膜,再對GO薄膜進行還原處理,可以制備出低本錢大面積的柔性石墨烯透明導電膜。其關鍵是采用什么還原方法有效地往除GO表面的含氧官能團,獲得具有高導電性的石墨烯及其薄膜材料?,F今使用強酸性還原劑實現了GO的高效還原,突破了以前GO還原只有在堿性環境中才能有效進行的觀點。該法不僅可以實現對GO粉體的大量高效還原,而且非常適合于對GO薄膜進行直接還原。還原后所得石墨烯薄膜的體積電導率可以達到3×104S/m,明顯優于已有化學還原方法的效果。更重要的是,還原處理在往除薄膜層間含氧官能團的同時,反應產物以液相的形式從薄膜內部析出,產生的毛細作用力使薄膜厚度明顯減小、結構更加致密,增加了石墨烯片層之間的結協力,因此還原后得到的石墨烯薄膜在導電性、力學強度和柔韌性等方面都有了明顯的進步,解決了現有還原方法破壞薄膜結構的瓶頸問題。

石墨烯改性防腐涂料

2017年重點新材料之前沿新材料

1、性能要求:

附著力1級,耐鹽霧≥2500 小時,耐鹽水≥2000小時,耐水≥2000小時。

2、應用領域:

電力裝備、海工、石化:

3、特點分析:

石墨烯的小尺寸效應、二維片層結構、疏水性和導電性,使其可作為添加劑用于防腐涂料中改善涂料防腐性能。小尺寸的石墨烯可以填充到涂料的孔洞中,同時石墨烯的二維片層結構在涂料中層層疊加,形成致密的物理隔絕層。而石墨烯的表面效應使其對水的浸潤性差,當涂料中加入石墨烯后,石墨烯的疏水性會阻止水分子通過涂層接觸金屬基體,從而降低腐蝕。此外,通過石墨烯的導電性能迅速將陽極反應中Fe失去的電子傳遞到涂層表面,從而防止鐵離子沉淀,減緩電化學腐蝕速率。

4、防腐機理:

1)將石墨烯用于防腐涂料中,二維片層的石墨烯在涂料中層層疊加,相比其他類型的鱗片填料,縱向厚度方面石墨烯堆疊的層數更多,形成的防擴散滲透路徑更為復雜,石墨烯起到的物理隔絕作用也更為突出,從而形成具有高抗腐能力的涂料,極大地提高金屬的耐腐蝕能力;

2)除石墨烯自身的物理隔絕層以外,石墨烯通過改變樹脂的結構組裝,提高分子排列的有序程度,減少了涂料中的結構缺陷,形成致密的保護膜,進一步提升了涂料的防滲透性能;

3)在涂料中均勻分散的石墨烯層層疊加形成致密的網狀結構,并與鋅粉搭橋形成導電通路,結合鋅對金屬基材的陰極保護作用,賦予涂料良好的電化學保護性能。

石墨烯導電發熱纖維及石墨烯發熱織物

2017年重點新材料之前沿新材料

1、性能要求:

1)纖維性能:電阻率<1000Ω?cm;斷裂強度>3cN/tex;干摩擦色牢度>3;熔點>250℃;

2)織物性能:電熱輻射轉換效率>68%,表面溫度不均勻度<±5℃。

2、應用領域:

電子信息、汽車

3、特點分析:

目前在我國,有關企業以天然纖維為基體,與生物質石墨烯經特殊工藝有機融合,得到石墨烯內暖纖維。這是一種全新的智能多功能復合纖維,該纖維除具有一般纖維的常規特性外,還具有以下主要功能:激活免疫細胞、增強機體功能、防護紫外線、低溫遠紅外、改善微循環、抗菌抑菌、抗靜電、和增溫保溫等特性,能使細菌不再繁殖并最終消滅,同時其遠紅外功能對于加速微循環,保障皮膚健康作用明顯,它的問世,有望解決腳部糜爛和股骨溝糜爛等難題。

4、主要用途:

現生產的石墨烯內暖纖維長絲、短纖規格齊全,短纖可與莫代爾、黏膠、棉、普通腈綸等其他各種纖維搭配混紡,長絲可與各種纖維交織,制備不同功能需求的紗線面料,在紡織領域,可以制成內衣、內褲、外衣、襪類、嬰幼服飾、家居面料、戶外外套等。當然,石墨烯內暖纖維的用途并不僅限于服裝領域,還可以應用于生產車輛內飾、美容醫療衛材、摩擦材料、過濾材料等。

5、發展趨勢:

1)“智能化”服飾是近幾年紡織服裝界的發展潮流。依靠生物質石墨烯內暖纖維導熱導電的特點,國內已有公司推出智能文胸,通過內置感應器測量女性胸部溫度細微變化來確定是否有可疑腫塊,未來可有效預防腫瘤及乳腺癌,成為廣大女性患者的福音。

2)石墨烯也可應用到軍服上,這種智能多功能服飾可以使士兵在冬季告別臃腫的防寒服裝;應用于普通保暖服飾,更可以讓愛美人士在冬天享受“既有風度,又有溫度”的體驗;未來也可在減肥服裝等多方面進行探索。

6、限制因素:

目前我國石墨烯產業發展面臨諸多瓶頸,一是專利技術大部分還停留在科研階段,二是研究機構與應用企業嚴重脫節,三是研究機構缺乏足夠的資金支持。綜上原因導致石墨烯制備成本過高,很難實現工業化商業生產,市場價格居高不下,這在一定程度上限制了石墨烯的大規模廣泛使用。 當前要使制備石墨烯時用價格低廉、數量龐大、來源廣泛的農作物秸稈作為原料這一制備技術更成熟,才可實現石墨烯工業化充分量產,并同時擁有產量和價格雙重利器。

石墨烯導靜電輪胎

2017年重點新材料之前沿新材料

1、性能要求:

導電率達10~5S/m;導電率達10~5S/m;普通轎車輪胎胎面復合石墨烯后,抗撕裂強度提升50%,模量提升50%以上;濕地剎車距離縮短1.82m;滾阻降低6%;使用里程增加1.5倍以上。

2、應用領域:

汽車

3、特點分析:

石墨烯是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,被稱為“黑金”,是“新材料之王”,其具有突出的力學性能和散熱性能,抗拉強度達125GPa,常溫下的導熱率為5300W/m?K,是銅的13倍,故石墨烯導靜電輪胎的散熱功能和機械強度也具有突出表現,拉伸強度、抗撕裂強度、模量、DIN磨耗、滾阻及濕滑等性能均比普通輪胎顯著提高,行駛里程顯著增加。

4、主要優點:

石墨烯導靜電輪胎的核心功能是無需額外增加車載設備導出車體靜電,無安全隱患,能有效避免汽車靜電對司乘人員造成的傷害,避免汽車火災和爆燃,它的優點如下:

1)該石墨烯輪胎的導電性比普通輪胎提升4個數量級以上,導電率達到10~5秒/米,通過輪胎與金屬輪轂嵌和,由具有導靜電功能的輪胎胎面接地,實現了全時段、連續、可靠導出車體靜電;

2)石墨烯在胎面上的高補強性能實現橡膠模量、拉伸強度提升50%,大大提高了輪胎的抗撕裂性能,使輪胎性能在公路、越野全方位得到發揮;

3)濕地制動距離縮短1.8米,抗濕滑性提升6%,輪胎安全性進一步提升;較傳統橡膠材料導熱性能提高一倍左右,輪胎硫化時間進一步縮短,減少了輪胎爆胎幾率;

4)輪胎行駛里程提高1.5~1.8倍,打破了輪胎配方領域的“魔鬼三角”定律,實現了高磨耗、高抗濕滑、低滾阻性能均衡;輪胎重量降低10%,有利于輪胎輕量化,有效降低滾阻。

5、制造技術:

由于石墨烯難以均勻分散,造成加入石墨烯的橡膠材料加工困難,現已掌握的最新采用的制造技術為可變密煉間隙混煉工藝(VCMT),主要是利用轉子的長棱和短棱在軸向和徑向的轉動中,利用分布在長棱和短棱上的剪切階梯,輔助剪切隔離階梯和分散階梯不間斷地周而復始的循環變化,最大限度的達到剪切、分散、對倒和最佳溫度,保證較難混煉的石墨烯在膠料中均勻分散。

石墨烯增強銀基電接觸功能復合材料

2017年重點新材料之前沿新材料

1、性能要求:

鎘含量<100ppm;電阻率≤1.8μΩ?cm;斷后延伸率:退火態≥20%;抗拉強度≥180MPa;硬度≥70HV;靜態接觸電阻≤25mΩ;電壽命>40萬次;材料損失率≤0.005g。

2、應用領域:

電力電器

3、對比狀況:

以下是3種銀基復合材料的力學性能:

2017年重點新材料之前沿新材料

由表可見,附銀石墨烯銀基復合材料的整體性能明顯優于其它兩種材料。與傳統的石墨銀基復合材料相比,石墨烯銀基復合材料導電性和抗彎強度降低(電導率降低并不明顯,基本維持平衡),硬度和耐磨性獲得很大的提高;相比石墨烯,附銀石墨烯對銀基復合材料的硬度及耐磨性有著更有效的增強效果,同時導電性和抗彎強度也獲得了一定程度的提高。銀基復合材料中,等量石墨烯取代石墨時能夠提高復合材料的整體性能,石墨烯經表面銀納米顆粒修飾后制備的銀基復合材料,要比直接加入石墨烯制備的銀基復合材料具有更好的綜合性能。

4、發展趨勢:

石墨烯具有比其它碳質材料更快速的載流子遷移率,更高的機械強度,更優導電導熱性,同時還保留著同石墨晶體相似的潤滑性,以石墨烯代替石墨,結合石墨烯與銀優異的導電導熱性能,采用粉末冶金的方法制備出石墨烯銀基復合材料是最新發展趨勢。

5、原理分析:

石墨銀基復合材料的抗彎強度高于石墨烯銀基復合材料,原因在于相同質量分數條件下,石墨烯具有著比石墨更大的表面積,即使在石墨烯表面附銀納米顆粒也無法消除石墨烯與銀界面的存在,當受到外力作用時,平行分布于作用力方向的石墨烯銀界面處易產生裂紋,這是導致石墨銀基復合材料抗彎強度高于石墨烯銀基復合材料的原因。

制備附銀石墨烯銀基復合材料時,銀納米顆粒的存在使石墨烯之間界面結合能降低,同時增加了石墨烯與銀粉的混合均勻性及結合強度。一方面有利于構成金屬的三維網狀結構,提高復合材料的導電性;另一方面使該復合材料具有更高的硬度和強度,提高了銀復合材料的整體性能,石墨銀基復合材料的硬度比石墨烯銀基復合材料低得多,其主要原因在于含有相同質量分數的石墨或石墨烯銀基復合材料中,石墨增強體的強度遠遠低于石墨烯,而且石墨在銀基體中分散效果也遠遠不如石墨烯,不能起到很好的彌散強化作用,從而導致石墨銀基復合材料呈現出宏觀硬度較低的現象。石墨烯經表面銀納米修飾后,提高了石墨烯同銀基體的結合強度,使其硬度得到一定程度的提高。

液態金屬

2017年重點新材料之前沿新材料

1、性能要求:

熔點≤300℃,表面張力室溫下0.4~1N/m,粘度室溫下0.1~0.8 cSt,比熱容0.01~5kJ/kg/℃,熱導率8~100W/(m?℃),導熱系數室溫下為>10W/m?K,電導率室溫下為 1~9×106S/m 。

2、應用領域:

電子工業

3、特點分析:

液態金屬是指一種不定型金屬,液態金屬可看作由正離子流體和自由電子氣組成的混合物。液態金屬也是一種不定型、可流動液體的金屬。其充型過程的水力學特性及流動情況充型過程對鑄件質量的影響很大可能造成的各種缺陷,如冷隔、澆不足、夾雜、氣孔、夾砂、粘砂等缺陷,都是在液態金屬充型不利的情況下產生的,正確地設計澆注系統使液態金屬平穩而又合理地充滿型腔,對保證鑄件質量起著很重要的作用。單質中只有汞是液態金屬,鎵、銣、銫只能等是熔點低金屬。

4、在砂型中流動時的水力學特性:

1)粘性流體流動:液態金屬是有粘性的流體。液態金屬的粘性與其成分有關,在流動過程中又隨液態金屬溫度的降低而不斷增大,當液態金屬中出現晶體時,液體的粘度急劇增加,其流速和流態也會發生急劇變化。

2)不穩定流動:在充型過程中液態金屬溫度不斷降低而鑄型溫度不斷增高,兩者之間的熱交換呈不穩定狀態。隨著液流溫度下降,粘度增加,流動阻力也隨之增加;加之充型過程中液流的壓頭增加或和減少,液態金屬的流速和流態也不斷變化,導致液態金屬在充填鑄型過程中的不穩定流動。

3)多孔管中流動:由于砂型具有一定的孔隙,可以把砂型中的澆注系統和型腔看作是多孔的管道和容器。液態金屬在“多孔管”中流動時,往往不能很好地貼附于管壁,此時可能將外界氣體卷入液流,形成氣孔或引起金屬液的氧化而形成氧化夾渣。

4)紊流流動:生產實踐中的測試和計算證明,液態金屬在澆注系統中流動時,其雷諾數Re大于臨界雷諾數Re臨,屬于紊流流動。影響金屬液流動的平穩性的主要因素是金屬液的流動速度和澆注系統的形狀及截面尺寸。