专题调研
2017年第48期:关于促进我省石墨烯-金属基复合材料技术研究和产业化发展的建议
2017年12月23日 点击 [574]



省科顾委新材料专家组

金属基复合材料由基体与增强体两种组分构成,可以在保留原组分主要性能的同时,获得原组分所不具备的特殊性能,充分发挥两种组分的性能优势。

我国对金属基复合材料的研究从上世纪九十年代开始,经过多年的发展,金属基复合材料已经在军事国防领域取得了产业化应用,并逐渐开始向民用化领域渗透。其中比较常用的金属基复合材料增强体主要以陶瓷相为主,产业化应用最多的有SiC、Al2O3等陶瓷颗粒。但由于这些陶瓷相的本征脆性,导致金属基复合材料难以进一步塑性成型,且加工成本较高。相比于其它增强体,石墨烯具有更高的强度、刚度、热导率、电导率以及低膨胀等性能,是理想的金属基复合材料增强体,目前已成为国内外研究的热点。所以,开发石墨烯-金属基复合材料是顺应现代工业向“轻质、高强、高速、高导、高耐磨、高性能”方向发展的理想材料,也是产品更新换代,实现高技术化、高性能化的重要物质基础。

为全面准确地反映我省石墨烯-金属基复合材料研发基础与产业化现状,特别是发展石墨烯-金属基复合材料新兴产业所面临的机遇、挑战及未来趋势,为我省转方式、调结构、稳增长提供决策参考,省科顾委新材料组就我省促进石墨烯-金属基复合材料研发及产业化开展专题研究,并提出如下研究报告。

一、石墨烯-金属基复合材料的性能特点及国内外研发、应用现状

(一)石墨烯-金属基复合材料的性能特点。、

石墨烯具有超高的物理和力学性能,将其加入到金属基体中,从材料设计角度出发,将获得性能更加优异的金属基复合材料。一是石墨烯强度是钢的100多倍,可在低添加量的情况下获得较高的力学性能;二是由于石墨烯具有超高的导电和导热性能,将石墨烯添加在金属基体中,可以在提高复合材料力学性能同时,改善金属基复合材料的导电和导热性能;三是石墨烯具有较低的密度,故所制备的石墨烯-金属基复合材料的密度会低于纯金属材料而且该复合材料具有与金属基体相近的塑性变形能力,可以规避陶瓷增强复合材料的本征脆性,解决了塑性成型的难题。

综上所述,开发石墨烯-金属基复合材料的经济、社会效益可主要表现在两个方面:1.降低材料的损耗,节约能源。采用石墨烯-金属基复合材料,将大大降低稀缺金属材料(Ni、Co等)的消耗。同时石墨烯优异的自润滑性能可降低零部件的摩擦磨损,减少经济损失。并且采用石墨烯-金属基复合材料制备的零部件,可以降低部件重量,减少能源消耗,有利于环境保护。2.满足现代工业装备的特殊需要。现代工业装备轻量化小型化的发展,需要实现材料结构与功能一体化,在具有较高力学性能的同时具备导电和导热等物理性能。目前,各类增强体材料中石墨烯是唯一可以实现高性能和多功能一体化的增强材料,所以研发石墨烯-金属基复合材料具有非常重要的意义。

(二)石墨烯-金属基复合材料国内外研发、应用现状

根据现有文献的报道,目前国内外关于石墨烯-金属基复合材料的研究大部分还处在工艺的探索阶段,制备方法主要以球磨+粉末冶金为主,制备的金属基复合材料主要集中在铝基和铜基复合材料,石墨烯的添加量约为0.1 % ~5 %。大多数的研究结果表明复合材料的抗拉强度,屈服强度和压缩强度都有大幅度的提升,而且复合材料的塑性和综合物理性能表现良好。根据现有的该系列复合材料的研究成果,预计可以在以下几个方向实现产业化应用:

1.在汽车领域的应用。石墨烯-金属基复合材料可以用于制造汽车承载结构,实现轻量化,可用于发动机活塞,提高其使用温度和减轻惯量,提高效率,也可以用于齿轮箱等零部件。

2.在航空航天领域的应用。利用石墨烯-金属基复合材料高的比强度和比刚度,可以将其用于飞机发动机零部件或飞机骨架、电子器件支架等零部件。

3.在电力输送领域的应用。利用石墨烯-金属基复合材料高强度、高导电率和密度低的特点,可以制备成石墨烯-铝基复合材料的架空导线,或用该复合材料替代电力电缆中的金属铜导体,解决企业生产面临的铜资源短缺、电缆生产成本较高的难题。

4.在电子和光学仪器中的应用。石墨烯增强铝基复合材料,具有热膨胀系数小、密度低、导热性能好等优点,适于制造电子器材的衬装材料,还可用于制造光学仪器配件等。

5.在导热材料上的应用。随着电子科学技术的发展,对各类散热器件的散热性能要求越来越高,由于石墨烯是一种很好的增强相和热的良好导体,将其加入铝或铝合金中可以大幅度的提高铝的导热性能及其他力学性能,可广泛用于空调散热片,计算机散热器,LED模块散热件等领域。

6.在体育用品上的应用。石墨烯增强铝基复合材料可以代替传统的木材及合金等材料,用来制作网球拍、钓鱼竿、高尔夫球杆和滑雪板等体育用品。

二、我省石墨烯-金属基复合材料的研究基础、产业优势及存在问题

(一)石墨烯-金属基复合材料产业基础和产业链优势

省作为国家传统老工业基地之一,曾经是共和国特殊钢铁及合金材料重要的生产和应用基地。其中东北轻合金有限责任公司是我国轻合金材料的重要生产基地,每年为航天航空、交通运输和军工领域提供大量的原材料。在国内铝加工行业中,东轻公司的技术研发能力一直处于领先地位。东安、哈飞集团是国内重要的发动机、汽车和直升机的生产企业,也是对高性能、轻质合金材料大量需求的用户企业;此外,哈交联和金桥等电缆生产企业也是高电导率、高强度铝导体材料需求量很大的用户企业。

此外,借助于我省的石墨烯产业化平台,并结合我省丰富的石墨资源,可以为石墨烯-金属基复合材料的研发提供大量优质和低成本的石墨烯原料。这样就可以形成一个集原材料提供、复合材料生产和应用的较完整的石墨烯-金属基复合材料产业链,推动中国的石墨烯-金属基复合材料技术发展,为我省传统工业转方式、调结构、提档升级创造机遇,带来良好的经济和社会效益。

(二)石墨烯-金属基复合材料的技术研发基础及优势

近年来,我省的科研团队在石墨烯-金属基复合材料的研究领域已积累了一定的科研成果,特别是在大规模工业化生产技术方面,与国内同行相比具有较大的优势。哈尔滨工业大学研究人员采用球磨+粉末冶金+挤压(轧制)的制备工艺,以石墨为原料,在大变形条件下促使石墨片层逐步打开,原位生成石墨烯。所制备的石墨烯-金属基复合材料展现出了较高的力学性能。同时这种复合材料也可以中间合金的方式加入到金属熔体中,进而实现石墨烯-金属基复合材料的连续生产。

哈尔滨理工大学研究团队提出的静电自组装分散工艺,可以在不破坏石墨烯原尺寸和结构的基础上,实现石墨烯在金属基体中的均匀分散,并且降低了有害界面反应的发生。利用该制备工艺所得的复合粉体可适用于增强材料制造,石墨烯-金属中间合金以及复杂器件的粉末冶金,具有非常强的产业化优势。

(三)石墨烯-金属基复合材料研发及产业化存在的问题

1.石墨烯-金属基复合材料是一种涉及多学科交叉的新型材料,涉及范围广,研发难度大。而我省长期受计划经济的影响,企业创新意识不强,加之目前宣传普及不够,因而,企业认知度不足,缺乏积极参与研发的主动性,造成石墨烯-金属基复合材料产业化发展缓慢。

2.虽然省内的科研团队在石墨烯-金属基复合材料研究上取得了一定的进展,但是由于缺乏资金支持,在复合材料相关的某些关键技术,例如:石墨烯的分散性,与基体的界面结合和材料的可复制性等关乎石墨烯-金属基复合材料产业化的关键技术方面还不够成熟,严重制约了石墨烯-金属基复合材料的发展。

(3) 缺乏有效的产学研用协作机制。我省既是资源和技术大省,同时也是金属基复合材料的生产和应用大省。以省会城市哈尔滨为例,从技术研发角度看,我省有大量的科研团队在从事金属基复合材料的相关研究。从产业布局的角度看,东轻公司的邻居就是合金材料的两大用户—哈飞和东安,然而我省材料生产企业与高校的研发合作、与同城的材料应用企业的供销合同都是屈指可数!尽管从产品质量的角度看,我省的金属材料产品质量占据国内领先优势,从运输成本和供货周期方面看也具有得天独厚的优势。然而,我省金属材料产品在省内市场所占的份额仍远低于国内同行业的其他企业,缺乏有效的产学研用合作平台。

三、我省石墨烯-金属基复合材料技术研究和产业化建议

(一)制定我省石墨烯-金属基复合材料发展规划

 根据国内外石墨烯-金属基复合材料发展现状及我省金属材料的研发和产业化优势,建议省政府相关部门应制定石墨烯-金属基复合材料的研发和产业化发展规划,明确产业发展的阶段目标、重点任务、重大工程、资金来源及政策措施等。引导石墨烯制备企业、金属复合材料生产、应用企业和相关研发机构的联动,推动我省传统金属材料产业提档升级,在促进石墨烯-金属基复合材料研发及产业化的基础之上,为我省的经济、社会发展发挥积极作用。

(二)发挥政府在石墨烯-金属基复合材料研发及产业化的主导作用

建议省政府,一是设立专项研发基金组织实施省重大研发项目,加大应用基础研究,引导企业参与项目研发,促进技术创新,使企业真正成为研发投入和成果应用的主体。是搭建产学研用合作平台。充分利用我省高校科研院所的研发优势和传统金属材料生产企业的产业优势,实现我省传统产业的转型升级和产品更新换代。三是优化产业创新环境通过税收政策、财政贴息、财政投资、融资担保以及风投参与等措施,帮助企业降低技术研发和创新应用的成本和风险。

(二)石墨烯-金属基复合材料的重点发展方向

  1.高导电石墨烯-铝基复合材料。目前我国已经成为全球最大的电线电缆生产国。伴随着西电东输、电网改造等工程的实施和城市化建设的逐步推进,对电缆的需求量也呈现出高涨的态势。从行业政策来看:根据我国电力工业“十三五规划”的发展规划,计划逐步提高节能导线在工程领域的使用比例。石墨烯增强铝合金电缆作为新型的节能材料,符合节能环保的新思路。在铜资源逐渐减少、电缆需求量不断加大之时,使用新型铝合金电力电缆,每年可以节约大量的建设资金和铜资源,对创建节约型社会将产生积极的作用。利用我省东轻企业的生产优势,利用电缆行业导体应用潜力巨大的特点,结合我省上升势头正猛的哈交联电缆和金桥电缆企业的承接能力,有望在短期内即可形成一定规模的石墨烯增强铝基复合材料的产业链。

 2.铝基复合材料高强度高韧性型材。这种材料的最大特点是其性能的可设计性,即:根据产品(或构件)的需要设计材料的成分与组织,以满足其所需性能:如可用作轻型自行车、山地车大梁的各种规格管材,以及要求轻质高耐磨的各类型材(例如门、窗的下滑轨道)等。由于石墨烯优异的性能,使得其复合材料具有较高的力学性能和较好的工艺性,可在大多数铝及铝合金材料领域应用,结合其他工艺调配,使新型复合材料获得针对性更高的性能,其应用市场巨大。

 3.航空航天、交通运输配件行业。近年来,随着我国航空航天和交通运输业的迅速发展,对材料高性能、轻量化的要求不断提高。建议我省结合东安、哈飞和东轻等企业的产业基础,共同开展石墨烯-金属基复合材料的研发,制备出高性能、轻质的零部件,增强企业核心竞争力。

(四)加强国内外技术与产业合作

加强与国内外石墨烯-金属基复合材料研究领域学者及研究机构的学术交流与技术合作,定期派遣团队去国内外相关高校和科研机构进行交流和学习。共同成立研发中心,联合攻关石墨烯-金属基复合材料的技术难题。大力倡导企业与国内外高校和科研机构进行产业化合作。另外充分利用国家正在全力推进的“一带一路”区域合作平台建设的良好机遇,发挥我省“沿边”优势,积极寻求对俄、对日、对韩及对东欧的国际合作,拓展石墨烯-金属基复合材料的研发与产业化应用新途径。

 

   作者:郭二军 哈理工大学副校长、教授

         张晓红 哈理工大学教授

         武高辉 哈工大金属复合材料与工程研究所教授

            哈理工大学博士研究生  

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