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2017年重点新材料之前沿新材料

2018-09-04 14:06:00 淄博启明星新材料股份有限公司 阅读

    为贯彻落实《新材料产业发展指南》,工业和信息化部、财政部和保监会拟建立重点新材料首批次应用保险补偿机制并开展试点工作。为此,原材料工业司组织编制了《重点新材料首批次应用示范指导目录(2017年版)》(下文简称“目录”),并于2017年6月16日公示。

本次公布的目录主要涉及先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料等三大类。其中,先进基础材料包括先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进化工材料、先进无机非金属材料及其他材料;关键战略材料包括高性能纤维及复合材料、稀土功能材料、先进半导体材料和新型显示材料。

为增进读者对相关重点新材料的了解,矿冶园对目录所公示的各类新材料进行了简要解读,并以系列图文的形式进行推送。本文主要介绍重点新材料中的前沿新材料。

石墨烯薄膜

2017年重点新材料之前沿新材料

1、性能要求:

可见光区平均透过率优于85%,面电阻值<10欧姆,面电阻稳定且分布均匀;具有弯曲性能,在ITO膜失效的情况下,可以承受超过10000次的循环弯曲实验。

2、应用领域:

微电子、新能源

3、特点分析:

石墨烯由于结构独特、性能优异、理论研究价值高、应用远景广阔而备受关注。氧化石墨烯(GO)是含有丰富含氧官能团的石墨烯衍生物,可通过化学氧化剥离廉价的石墨而得,随后通过还原处理可制成石墨烯。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,再对氧化石墨烯薄膜进行还原处理而制成的石墨烯透明导电膜,它是石墨烯重要应用之一,石墨烯透明导电膜以其资源丰富、良好的化学稳定性和柔韧性有可能取代资源缺乏、脆性的铟锡氧化物(ITO)成为新一代的透明导电膜,在柔性显示领域表现出巨大的应用潜力。

4、制备方法:

因为GO具有良好的水溶性,易于成膜,故利用GO经还原制备石墨烯已成为低本钱、宏量制备石墨烯的一个重要途径,对促进石墨烯的宏量应用具有重大意义。先利用GO溶液成膜,再对GO薄膜进行还原处理,可以制备出低本钱大面积的柔性石墨烯透明导电膜。其关键是采用什么还原方法有效地往除GO表面的含氧官能团,获得具有高导电性的石墨烯及其薄膜材料。现今使用强酸性还原剂实现了GO的高效还原,突破了以前GO还原只有在碱性环境中才能有效进行的观点。该法不仅可以实现对GO粉体的大量高效还原,而且非常适合于对GO薄膜进行直接还原。还原后所得石墨烯薄膜的体积电导率可以达到3×104S/m,明显优于已有化学还原方法的效果。更重要的是,还原处理在往除薄膜层间含氧官能团的同时,反应产物以液相的形式从薄膜内部析出,产生的毛细作用力使薄膜厚度明显减小、结构更加致密,增加了石墨烯片层之间的结协力,因此还原后得到的石墨烯薄膜在导电性、力学强度和柔韧性等方面都有了明显的进步,解决了现有还原方法破坏薄膜结构的瓶颈问题。

石墨烯改性防腐涂料

2017年重点新材料之前沿新材料

1、性能要求:

附着力1级,耐盐雾≥2500 小时,耐盐水≥2000小时,耐水≥2000小时。

2、应用领域:

电力装备、海工、石化:

3、特点分析:

石墨烯的小尺寸效应、二维片层结构、疏水性和导电性,使其可作为添加剂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,同时石墨烯的二维片层结构在涂料中层层叠加,形成致密的物理隔绝层。而石墨烯的表面效应使其对水的浸润性差,当涂料中加入石墨烯后,石墨烯的疏水性会阻止水分子通过涂层接触金属基体,从而降低腐蚀。此外,通过石墨烯的导电性能迅速将阳极反应中Fe失去的电子传递到涂层表面,从而防止铁离子沉淀,减缓电化学腐蚀速率。

4、防腐机理:

1)将石墨烯用于防腐涂料中,二维片层的石墨烯在涂料中层层叠加,相比其他类型的鳞片填料,纵向厚度方面石墨烯堆叠的层数更多,形成的防扩散渗透路径更为复杂,石墨烯起到的物理隔绝作用也更为突出,从而形成具有高抗腐能力的涂料,极大地提高金属的耐腐蚀能力;

2)除石墨烯自身的物理隔绝层以外,石墨烯通过改变树脂的结构组装,提高分子排列的有序程度,减少了涂料中的结构缺陷,形成致密的保护膜,进一步提升了涂料的防渗透性能;

3)在涂料中均匀分散的石墨烯层层叠加形成致密的网状结构,并与锌粉搭桥形成导电通路,结合锌对金属基材的阴极保护作用,赋予涂料良好的电化学保护性能。

石墨烯导电发热纤维及石墨烯发热织物

2017年重点新材料之前沿新材料

1、性能要求:

1)纤维性能:电阻率<1000Ω•cm;断裂强度>3cN/tex;干摩擦色牢度>3;熔点>250℃;

2)织物性能:电热辐射转换效率>68%,表面温度不均匀度<±5℃。

2、应用领域:

电子信息、汽车

3、特点分析:

目前在我国,有关企业以天然纤维为基体,与生物质石墨烯经特殊工艺有机融合,得到石墨烯内暖纤维。这是一种全新的智能多功能复合纤维,该纤维除具有一般纤维的常规特性外,还具有以下主要功能:激活免疫细胞、增强机体功能、防护紫外线、低温远红外、改善微循环、抗菌抑菌、抗静电、和增温保温等特性,能使细菌不再繁殖并最终消灭,同时其远红外功能对于加速微循环,保障皮肤健康作用明显,它的问世,有望解决脚部糜烂和股骨沟糜烂等难题。

4、主要用途:

现生产的石墨烯内暖纤维长丝、短纤规格齐全,短纤可与莫代尔、黏胶、棉、普通腈纶等其他各种纤维搭配混纺,长丝可与各种纤维交织,制备不同功能需求的纱线面料,在纺织领域,可以制成内衣、内裤、外衣、袜类、婴幼服饰、家居面料、户外外套等。当然,石墨烯内暖纤维的用途并不仅限于服装领域,还可以应用于生产车辆内饰、美容医疗卫材、摩擦材料、过滤材料等。

5、发展趋势:

1)“智能化”服饰是近几年纺织服装界的发展潮流。依靠生物质石墨烯内暖纤维导热导电的特点,国内已有公司推出智能文胸,通过内置感应器测量女性胸部温度细微变化来确定是否有可疑肿块,未来可有效预防肿瘤及乳腺癌,成为广大女性患者的福音。

2)石墨烯也可应用到军服上,这种智能多功能服饰可以使士兵在冬季告别臃肿的防寒服装;应用于普通保暖服饰,更可以让爱美人士在冬天享受“既有风度,又有温度”的体验;未来也可在减肥服装等多方面进行探索。

6、限制因素:

目前我国石墨烯产业发展面临诸多瓶颈,一是专利技术大部分还停留在科研阶段,二是研究机构与应用企业严重脱节,三是研究机构缺乏足够的资金支持。综上原因导致石墨烯制备成本过高,很难实现工业化商业生产,市场价格居高不下,这在一定程度上限制了石墨烯的大规模广泛使用。 当前要使制备石墨烯时用价格低廉、数量庞大、来源广泛的农作物秸秆作为原料这一制备技术更成熟,才可实现石墨烯工业化充分量产,并同时拥有产量和价格双重利器。

石墨烯导静电轮胎

2017年重点新材料之前沿新材料

1、性能要求:

导电率达10~5S/m;导电率达10~5S/m;普通轿车轮胎胎面复合石墨烯后,抗撕裂强度提升50%,模量提升50%以上;湿地刹车距离缩短1.82m;滚阻降低6%;使用里程增加1.5倍以上。

2、应用领域:

汽车

3、特点分析:

石墨烯是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,被称为“黑金”,是“新材料之王”,其具有突出的力学性能和散热性能,抗拉强度达125GPa,常温下的导热率为5300W/m•K,是铜的13倍,故石墨烯导静电轮胎的散热功能和机械强度也具有突出表现,拉伸强度、抗撕裂强度、模量、DIN磨耗、滚阻及湿滑等性能均比普通轮胎显著提高,行驶里程显著增加。

4、主要优点:

石墨烯导静电轮胎的核心功能是无需额外增加车载设备导出车体静电,无安全隐患,能有效避免汽车静电对司乘人员造成的伤害,避免汽车火灾和爆燃,它的优点如下:

1)该石墨烯轮胎的导电性比普通轮胎提升4个数量级以上,导电率达到10~5秒/米,通过轮胎与金属轮毂嵌和,由具有导静电功能的轮胎胎面接地,实现了全时段、连续、可靠导出车体静电;

2)石墨烯在胎面上的高补强性能实现橡胶模量、拉伸强度提升50%,大大提高了轮胎的抗撕裂性能,使轮胎性能在公路、越野全方位得到发挥;

3)湿地制动距离缩短1.8米,抗湿滑性提升6%,轮胎安全性进一步提升;较传统橡胶材料导热性能提高一倍左右,轮胎硫化时间进一步缩短,减少了轮胎爆胎几率;

4)轮胎行驶里程提高1.5~1.8倍,打破了轮胎配方领域的“魔鬼三角”定律,实现了高磨耗、高抗湿滑、低滚阻性能均衡;轮胎重量降低10%,有利于轮胎轻量化,有效降低滚阻。

5、制造技术:

由于石墨烯难以均匀分散,造成加入石墨烯的橡胶材料加工困难,现已掌握的最新采用的制造技术为可变密炼间隙混炼工艺(VCMT),主要是利用转子的长棱和短棱在轴向和径向的转动中,利用分布在长棱和短棱上的剪切阶梯,辅助剪切隔离阶梯和分散阶梯不间断地周而复始的循环变化,最大限度的达到剪切、分散、对倒和最佳温度,保证较难混炼的石墨烯在胶料中均匀分散。

石墨烯增强银基电接触功能复合材料

2017年重点新材料之前沿新材料

1、性能要求:

镉含量<100ppm;电阻率≤1.8μΩ•cm;断后延伸率:退火态≥20%;抗拉强度≥180MPa;硬度≥70HV;静态接触电阻≤25mΩ;电寿命>40万次;材料损失率≤0.005g。

2、应用领域:

电力电器

3、对比状况:

以下是3种银基复合材料的力学性能:

2017年重点新材料之前沿新材料

由表可见,附银石墨烯银基复合材料的整体性能明显优于其它两种材料。与传统的石墨银基复合材料相比,石墨烯银基复合材料导电性和抗弯强度降低(电导率降低并不明显,基本维持平衡),硬度和耐磨性获得很大的提高;相比石墨烯,附银石墨烯对银基复合材料的硬度及耐磨性有着更有效的增强效果,同时导电性和抗弯强度也获得了一定程度的提高。银基复合材料中,等量石墨烯取代石墨时能够提高复合材料的整体性能,石墨烯经表面银纳米颗粒修饰后制备的银基复合材料,要比直接加入石墨烯制备的银基复合材料具有更好的综合性能。

4、发展趋势:

石墨烯具有比其它碳质材料更快速的载流子迁移率,更高的机械强度,更优导电导热性,同时还保留着同石墨晶体相似的润滑性,以石墨烯代替石墨,结合石墨烯与银优异的导电导热性能,采用粉末冶金的方法制备出石墨烯银基复合材料是最新发展趋势。

5、原理分析:

石墨银基复合材料的抗弯强度高于石墨烯银基复合材料,原因在于相同质量分数条件下,石墨烯具有着比石墨更大的表面积,即使在石墨烯表面附银纳米颗粒也无法消除石墨烯与银界面的存在,当受到外力作用时,平行分布于作用力方向的石墨烯银界面处易产生裂纹,这是导致石墨银基复合材料抗弯强度高于石墨烯银基复合材料的原因。

制备附银石墨烯银基复合材料时,银纳米颗粒的存在使石墨烯之间界面结合能降低,同时增加了石墨烯与银粉的混合均匀性及结合强度。一方面有利于构成金属的三维网状结构,提高复合材料的导电性;另一方面使该复合材料具有更高的硬度和强度,提高了银复合材料的整体性能,石墨银基复合材料的硬度比石墨烯银基复合材料低得多,其主要原因在于含有相同质量分数的石墨或石墨烯银基复合材料中,石墨增强体的强度远远低于石墨烯,而且石墨在银基体中分散效果也远远不如石墨烯,不能起到很好的弥散强化作用,从而导致石墨银基复合材料呈现出宏观硬度较低的现象。石墨烯经表面银纳米修饰后,提高了石墨烯同银基体的结合强度,使其硬度得到一定程度的提高。

液态金属

2017年重点新材料之前沿新材料

1、性能要求:

熔点≤300℃,表面张力室温下0.4~1N/m,粘度室温下0.1~0.8 cSt,比热容0.01~5kJ/kg/℃,热导率8~100W/(m•℃),导热系数室温下为>10W/m•K,电导率室温下为 1~9×106S/m 。

2、应用领域:

电子工业

3、特点分析:

液态金属是指一种不定型金属,液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物。液态金属也是一种不定型、可流动液体的金属。其充型过程的水力学特性及流动情况充型过程对铸件质量的影响很大可能造成的各种缺陷,如冷隔、浇不足、夹杂、气孔、夹砂、粘砂等缺陷,都是在液态金属充型不利的情况下产生的,正确地设计浇注系统使液态金属平稳而又合理地充满型腔,对保证铸件质量起着很重要的作用。单质中只有汞是液态金属,镓、铷、铯只能等是熔点低金属。

4、在砂型中流动时的水力学特性:

1)粘性流体流动:液态金属是有粘性的流体。液态金属的粘性与其成分有关,在流动过程中又随液态金属温度的降低而不断增大,当液态金属中出现晶体时,液体的粘度急剧增加,其流速和流态也会发生急剧变化。

2)不稳定流动:在充型过程中液态金属温度不断降低而铸型温度不断增高,两者之间的热交换呈不稳定状态。随着液流温度下降,粘度增加,流动阻力也随之增加;加之充型过程中液流的压头增加或和减少,液态金属的流速和流态也不断变化,导致液态金属在充填铸型过程中的不稳定流动。

3)多孔管中流动:由于砂型具有一定的孔隙,可以把砂型中的浇注系统和型腔看作是多孔的管道和容器。液态金属在“多孔管”中流动时,往往不能很好地贴附于管壁,此时可能将外界气体卷入液流,形成气孔或引起金属液的氧化而形成氧化夹渣。

4)紊流流动:生产实践中的测试和计算证明,液态金属在浇注系统中流动时,其雷诺数Re大于临界雷诺数Re临,属于紊流流动。影响金属液流动的平稳性的主要因素是金属液的流动速度和浇注系统的形状及截面尺寸。