Graphene, גיליון יחיד של אטומי פחמן מסודרים בלחיצות דבש, צמח כחומר טרנספורמטיבי בחומרים מדעיים.שילוב של כוח מכני יוצא דופן, אור יוצא דופן, ו מוליכות חשמלית ותרמית גבוהה הופכת אותו למועמד ראשוני לדור חדש של ציוד הגנה.עבור עשרות שנים, ציוד הגנה אישי (PPE), ציוד ספורט, ושוריינים צבאיים מתמודדים עם סחר מול הגנה בין משקל עבה וגורם להפחתה מהירה של חומרים גמישים.

התכונות הייחודיות של Graphene

כדי להבין מדוע גרפן הוא מפוחד כדי לחולל מהפכה בהילוך מגן, חיוני לתפוס את המאפיינים הבסיסיים שלו. Graphene הוא היסוד מבני הבסיסי של גרפיט, אך מבודד בשכבה אחת, הוא מציג מאפיינים יוצאי דופן:

  • (FLT:0) כוח Tensile Tensile:cioFLT:1 Graphene הוא בערך 200 פעמים חזק יותר פלדה על ידי משקל, עם כוח רב של כ 130 GPa. זה אומר סרט גרפן דק יכול לעמוד כוחות מושכים עצומים מבלי לשבור, מה שהופך אותו אידיאלי לקליטת אנרגיה השפעה.
  • (FLT:0) Extreme Lightness:FLT:1, 1 מטר רבוע של גרפן שוקל רק כ-0.7 מיליגרם.כאשר משולב במבשלות פולימר, הוא מוסיף משקל רשלני בהשוואה לחומרים מסורתיים של חיזוק כמו זכוכית או סיבי פחמן.
  • (FLT:0) גבוה סטריפנס ואלסטיליות: ⁇ 1 (למרות להיות חזק להפליא, גרפן הוא גם גמיש.זה יכול למתוח עד 20% מהאורך המקורי שלו ללא fracturing, המאפשר למורכבים להיות nd ו גמיש ללא סדקים.
  • שטח פני השטח:0 [Large Surface Area:FLT:1] השטח התיאורטי של גרפן הוא בערך 2,630 מ'2 לגרם. יחס זה היבט גבוה מאפשר לו ליצור קשרים בין-גזעיים חזקים עם מטבוליות פולימר, שיפור העברת העומס וההשפעה של הניתוק.
  • (FLT:0) Thermal and Electrical Conductivity: FIRLT:1 , Graphene פועל חום וחשמל בצורה טובה ביותר.זה פותח אפשרויות עבור ציוד הגנה חכם שיכול לפסול חום או לשלב חיישנים עבור השפעות ניטור או תנאים סביבתיים.

תכונות אלה להפוך גרפן חיזוק אידיאלי עבור קל משקל, ביצועים גבוהים מורכב.כאשר בשילוב עם פולימרים, מתכות, או קרמיקה, זה יוצר חומרים כי עולה על הביצועים של חלופות מסורתיות. חוקרים ב FLT:0Graphene InfohilFLT 1 repository תיעד מחקרים רבים המוכיחים כיצד מורכב גרפן-en-enanced להשיג כוח ספציפי יותר - יחידת משקל חד-חמצני - כמעט כל חומר אחר.

יתרונות עבור Gearive

גרף אינסטלציה לתוך ציוד מגן מניב כמה יתרונות קריטיים שמטפלים ישירות במגבלות של חומרים קיימים.למטה, כל יתרון נבדק בפירוט.

עיצוב משקל Light Weight

הכוח המניע העיקרי של אימוץ מרוכבים גרפן הוא ירידה במשקל.ריון גוף מסורתי, כגון צלחות קרמיקה או פודים מרובי-שכבות Kevlar, יכול לשקול למעלה מ 7-10 ק"ג (15-22 lbs) עבור הגנה מלאה על torso. משקל זה מגביל תנועה, גורם עייפות, יכול להפחית את ההתאמה בין חיילים, קציני אכיפת החוק, ועובדים תעשייתיים.

עמידות מוגברת ומחסור באנרגיה

[הכוח העצום והנוקשות הגבוהים של גראפן מאפשרים לה לה להתפזר אנרגיה ביעילות.כאשר כוח מפוענח או בוטה פוגע בגפן מורכב, הסדינים הגרפן מחלקים את העומס על שטח גדול, למנוע כשלון מקומי.בנוסף, גרפן יכול לעבור אפקט "גשר גרף" ייחודי" מורכב אפילו יותר, שבו הסדינים בודדים ומציקים את הפרויקט זה מזה, תוך חיכוך באמצעות חיכוך ועיוות.

גמישות ונוחות

לוחיות שריון קשיחות להגביל את התנועה ויכולות להיות לא נוח ללבוש מורחב. Graphene מורכב, עם זאת, ניתן מהנדס להישאר גמישים ועדיין לספק כוח גבוה.ד.ד. גרף-reinforced סרטים ניתן להשחית על בד, יצירת חומרים כי bend, מעוות, למתוח כמו בגדים רגילים.זה מושגת על ידי הטמעת גליונות גרפינמיים לתוך פולימרים אמפיריים כגון פולימרים או סיליקון, כמו גם לחץ טבעי, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 תחושה של לחץ דם טבעי של לחץ דם טבעי של תפקוד זה יכול להיות מטבולית, 000.

יציבות וארוכותיות

ציוד מגן לעתים קרובות מתפוגג לאורך זמן בשל השפעות חוזרות ונשנות, שחיקה וחשיפה סביבתית. Graphene משפר עמידות במספר דרכים. ראשית, הכוח הגבוה שלה מקטין את ללבוש ודמיע מהחיכוך וגרד. השני, גרפן פועל כמכשול נגד לחות, כימיקלים וקרינת UV, המונעת את השבר של כפפות פולימריות אחרות, השכבה של גרפן יכול להיות מסוגל לכווץ עצמית או לנפח של גלידות קבועות, בעוד שלעתים קרובות יותר, לאחר שגורמות לגרורות של חומרים גרף קבועות סטנדרטיות, לאחר שגורמות לגרורות סטנדרטיות, למעט גרף של חומר קירור סטנדרטיות, בעוד שלעתים קרובות, בעוד שלעתים קרובות, בעוד שלעתים קרובות, למעט גרף של חומרים מסגסוגת סטנדרטיות, לאחר ירידה של חומרים מטבוליות קבועות, למעט גרף של חומרים מטבוליות קבועות סטנדרטיות, בעוד שלעתים קרובות.

פיתוח Graphene Composites for Protective Gear

יצירת ציוד מגן יעיל דורש הנדסה מדויקת של תרכובות גרפן.המטרה היא להשיג פיזור אחיד של גרפן בתוך חומר מארח כדי למקסם את חיזוק.כמה גישות נרדפות במחקר ובתעשייה.

Polymer Matrix Infusion

השיטה הנפוצה ביותר היא הטמעת גרפן ננופליות או flakes לתוך פולימרים. Graphene oxide (GO) או מופחת גרפן תחמוצת (rGO) משמש לעתים קרובות כי הם קלים יותר לייצר ולהתפזר בפולימרים. אלה מעורבים פגזי thermoplastics כמו פוליפרופילן, ניילון, או פוליקרבן, או לתוך רטיני חום כגון ep או פולימרן יעיל יותר, 000.

בסביבה הקרובה של Layer-by-Layer Assembly

טכניקה מתקדמת נוספת כוללת בניית שכבות של סרטי גרפן ופולימרים. גישה זו שכבה-by-layer (LbL) מחקה מבנים טבעיים (אימה-of-pearl) אשר הם חזקים וקשה. על ידי ערימה של עשרות או מאות זוגות של גרפים LL ושכבות פולימר, החוקרים יוצרים פרויקט מורכב עם קשיחות יוצאת דופן.

Spray Sticking and Infusion

עבור רטרופיאטים הקיימים, ציפוי תרסיס או נוזל אינפוזיה מציעה פתרון יעיל עלות. Graphene flakes מפוזרים בסוכן ורסס על בד, קצף, או משטחים פולימרים.המדת מזהמים, משאירה ציפוי גרפן דק, ציפוי זה יכול לשפר באופן דרמטי את ההשפעה של החומר והתנגדות לחתוך ללא תוספת משקל משמעותי.

ייצור תוספת (3D הדפסה)

העלייה של הדפסה תלת-ממדית אפשרה יצירת ציוד הגנה מותאם אישית עם חיזוק מקומי. Graphene יכול להיות משולב לתוך סדקים או אבקה של הזנה בשימוש במדפסות. על ידי תכנון בקפידה דפוס ההדפסה, מהנדסים יכולים ליצור חלקים שיש להם כוח גבוה בכיוונים ספציפיים בעוד להישאר גמיש במקום אחר.למשל, חזייה הברך יכולה להיות מודפסת עם אזורי גרפן-כוח סביב המפרקים לספוג, השפעה ורכך עבור אזורים רפואיים מתאימים, אך עדיין, אך ורקמות, יש צורך להראות השפעות שליליות.

יישומים בתעשיות

הגמישות של תרכובות גרפן מאפשרת להם להיות מיושם על מגוון רחב של ציוד מגן. להלן המגזרים המרכזיים נהנים מהטכנולוגיה הזו.

ציוד הגנה אישי (PPE)

Helmets, כריות הברך, כריות מרפק, משקפי בטיחות, כפפות הם כולם להיות משופר עם גרפן.לדוגמה, יצרן אחד משתמש פוליקרבונט מטבוליט מטבוליט מטבוליט כדי ליצור ⁇ בטיחות כי הם 30% יותר קל מאשר מודלים סטנדרטיים עדיין להעביר את אותה הסמכה השפעה. Graphene-reinforceed כפפות עור הופכות פופולריות בבנייה ומתכת, שבו התנגדות חיתוך ושופכת הם קריטיים, נשארות, עדיין חסר יכולת שליטה גבוהה יותר מאשר ציפוי ארוך יותר מאשר ערפל, אפילו ערפל, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 זמן רב יותר מאשר ציפוי העור חזק יותר מאשר ערפל, 000.

ספורט Gear

ספורטאים הם לעתים קרובות מאיצים מוקדמים של חומרים מתקדמים. Graphene מורכב עכשיו בשימוש ⁇ כדורגל, כריות הוקי, שומרים שין, ⁇ אופניים ואפילו נעלי ריצה. ב ⁇ כדורגל, קוצים גרף גרפן להפחית את האצה רוטאלית כי גורם קונקוסים על ידי עד 40% לעומת קצף מסורתי סקינים ו snowboarders, גרפן כוח גרף לספק הגנה גבוהה יותר עבור כל מיניקים מקוונים, כמו גם עבור חומרים מאובטחים.

אכיפת החוק והמשטר

ייתכן שהיישום התובעני ביותר הוא עבור אנשים בסביבות בסיכון גבוה.שומן גוף מבוסס Graphene הוא מוקד מרכזי לפיתוח מחלקות הגנה ברחבי העולם.מכון הצבא האמריקאי עבור החייל ננולוגים הוא מחקר פעיל של גרפן מורכב כדי ליצור אפודים קלים שעדיין עומדים ב-National Institute of Justice (NIJ) ברמה III וסטנדרטים בליסטיים של Graphene יש פוטנציאל לעצור את הגרף-Ricingsperingsperingsperings, בעוד שעדיין מסוגל לזהות גרפים מהירים יותר מ- 30 כוח קרמיקה, לעומת 30 לחץ דם, כמו גם כן, לעומת קרמיקה, ו- 30 קרמיקה, לעומת קרמיקה, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם על פני גרף לחץ דם גבוה יותר מאשר קרמיקה, 000, 000, ואפקטים קריטי, לעומת גרף אבטחה, 000, לעומת גרף לחץ דם גבוה יותר מאשר גרף אבטחה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גרף אבטחה, 000, 000

בטיחות תעשייתית

במפעלים, מכרות וצמחים כימיים, עובדים מתמודדים עם סכנות מנפילה חפצים, קצוות חדים, מתיזות כימיות, חום. Graphene מורכב מציעים פתרונות לתביעות הגנה, מגינים פנים ומגפיים בטיחות. A גרפן-reinforced יכול להתנגד לטיהור חומרים חדים תוך שמירה על חום, צמצום מתח חום.

רכב ואוויר

גם מורכבות Graphene משמשים רכיבים לרכב כדי להגן על הדיירים במהלך ההתנגשויות. לוחות גוף מאוישים קל משקל יכול לספוג אנרגיה יותר ביעילות, צמצום הכוח המועבר לנוסעים.במטוסים, ⁇ טיסה גרפן ובגדים עמידים באש עבור טייסים וצוות קרקע מציעים הגנה משופרת עם עלייה במשקל מינימלי, שהוא חיוני לביצועים.

אתגרים נוספים לאימוץ מסחרי

למרות הפוטנציאל העצום, יש לטפל בכמה מכשולים לפני שתרכובות גרפן הופכות לכל מקום בהילוך מגן.

ייצור סקאלה ועלויות-Effective

הפחתת גרפן באיכות גבוהה בכמויות גדולות במחיר תחרותי נשאר קשה.כימיקל נפיחות (CVD) מניב גרפן prise אבל הוא יקר ומדורגת למחצה.-phase exfoliation של גרפיט זול יותר, אבל מייצרת פיתיקים עם גדלים ופגמים עכשוויים ייצור הם סביב 100-1,000 קילוגרם, גבוה מדי עבור שוק המוני, עם עלייה של תרופות אלקטרו-כימיקליות, כמו ירידה של 5 שנים של ציוד חשמלי, ירידה, ירידה של ציוד חשמלי, או ירידה, 000, עלייה של עלויות ייצור הנוכחי.

עידוד דיספרסיון אחיד

בעיה נפוצה היא כי פצילין פליקטים נוטים להתכווץ יחד בגלל כוחות ואן דר וואלאס. Agglomerations ליצור נקודות חלשות בתרכובת, צמצום הכוח הכולל.השגת פיזור הומוגני באמת דורש שליטה זהירה של ערבוב פרמטרים, באמצעות גולשים, או פונקציונליזציה של פני השטח הגרף באופן עקבי.אסטרטגיות כמו שילוב גבוה, או באמצעות גרפן עם קבוצות חמצן (cototic) כגון פיזור חומרים מכניים) או מוטציות.

מגע בין-גזעי עם חומרים מארחים

גם אם גרפן הוא מאוד מחוספס, הממשק בין גרפן לבין ממטריקס פולימר חייב להעביר עומס ביעילות.אם האג"ח חלש, הגרפן ימשוך מהמטריקס ולא לגלגל אותו.תפקוד גרפן עם קבוצות כימיות כי קשר שווה לפולימרפולי יכול לחזק את ממשק זה. לדוגמה, נספח קבוצות amine לגרף מאפשר להגיב עם epoxy rersen, ליצור השפעה חזקה.

תנאי שימוש ב- Real-world

תרכובות Graphene חייבות לעמוד בהשפעות חוזרות ונשנות, קרינת UV, לחות וטמפרטורות קיצוניות ללא השפלה. בדיקות ארוכות טווח חיוני כדי להבטיח כי הציוד נשאר בטוח על תוחלת החיים המיועד שלה. מחקרים ראשוניים מצביעים על כך גרפן יכול למעשה לשפר התנגדות ל-UV ולחות על ידי הפעלת מחסום, אבל יותר מחקר הוא הכרחי.לדוגמה, כדורגל עשוי לחוות מאות השפעות על פני עונה; סימולציות הן אימות כי גרפן גרפין עשוי להיות פעיל של 90% של טמפרטורות איטיות, בנוסף ל-ידי טמפרטורות איטיות, כמו ערפל, כמו ערפל, כמו ערפל, כמו גם על תפקודים, כמו ערפל, כמו ערפל, כמו ערפל, כמו ערפל, כמו ערפל, למשל, כמו ערפל, כמו ערפל, למשל, למשל, כמו ערפל, למשל, למשל, למשל, כמו ערפל סטנדרטי, כמו ערפל סטנדרטי, לדוגמה, כמו ערפל, כמו ערפל תעשייתי, כמו ערפל, כמו ערפל, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, כמו גם על מנת לבצע בדיקות אבטחה עקבי, כמו ערפל סטנדרטי, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, ייתכן שמשחקים, כמו ערפל, כמו ערפל, כמו גם על פני כדור הארץ עשוי לחוות ערפל, כמו ערפל

סיקור ותיקון הארדס

ציוד מגן חייב לעבור תקני בטיחות קפדניים (למשל, EN 1621 עבור מכונות שריון אופנוע, תקני NIJ עבור אפודים בליסטיים, ASTM F1446 עבור ציוד ספורט) מורכב של Graphene כרגע אין סטנדרטים ייעודיים, ויצרנים חייבים לעתים קרובות להוכיח שוויון כדי לקבוע חומרים מבוססים באמצעות בדיקות נרחבות.זה מאט אימוץ ולהגדיל את עלויות הפיתוח.

תחזית לעתיד וחדשנות

העתיד של ציוד הגנה מבוסס גרפן הוא בהיר, מונע על ידי מחקר מתמשך והשקעות מסחריות. כמה מגמות מתעורר מבטיח לשפר עוד יכולות.

Smart Protective Gear with Integrated Sensors

מוליכות חשמלית מעולה של Graphene מאפשרת הטמעת חיישנים ישירות לתוך מדפים. ציוד מגן יכול כעת לפקח על כוחות השפעה, טמפרטורה, לחות, ואפילו חשיפה כימית בזמן אמת.לדוגמה, חיישן מבוסס גרפן נשזר לתוך כיס קסדה יכול לזהות פגיעה קשה ובאופן אלחוטי התראה על מאמן או מקצועי לבדוק סימנים של מנגנוני הגנה.

חומרי ההולכה וההתאמה

עוד גבול מרגש הוא עצמי מסובייקט גרפן.כאשר מורכב הוא ניזוק, שכבות גרפן יכול להחליק ו reposition, בעוד פולימרים מוחזרים באמצעות תגובות כימיות ניתנות.חוקרים הוכיחו כי קיצוץ סכין בסרט גרפן-פוחיות יכול לרפא את עצמו בתוך 60 שניות כאשר נחשפים לחום או אור UV.

ביו-אי-תואמים ו-E-Comosites

מאחר שקיימות הופכת לעדיפות, מורכבות גרפן מפותחות באמצעות פולימרים ביו-דידיים ושיטות עיבוד ירוקות. Graphene עצמה היא מבוססת פחמן ולא רעיל בצורתה הטהורה, וניתן לתכנן את התרכובות למחזוריות. לדוגמה, קליפת קסדה שנעשתה מ-Gateene-reinforceed Polylactic acid (PLA) יכולה להיות מלוכדת בסוף החיים, בעוד הגרף המסוכן ביותר יכול להיות מצמצם את התהליכים הסביבתיים של פחמן-Keratives.

מסקנה

Graphene מורכב שינוי פרדיגמה בעיצוב של ציוד מגן.על ידי מינוף יחס כוח לא תואם משקל משקל, השפעה יכולת ספיגה, גמישות, עמידות, מהנדסים יוצרים ציוד המציע הגנה מעולה תוך צמצום משקל ומשפרת באופן משמעותי את הנוחות. טכנולוגיה זו כבר פרוסת ב ⁇ ספורט, PPE עבור התעשייה, ודור הבא של כוחות הגנה יותר, עם אתגרים הקשורים לפיזור יעיל יותר, כמו גם גרפים פעילות גופנית, יש להמשיך באופן שיטתית, כדי להתגבר על עלויות פעילות גופנית סדירה, עם עלויות פעילות גופנית, עם עלויות פעילות גופנית, יש להמשיך באופן שיטתית יותר, עם עלויות פעילות גופנית, כדי לחץ יותר ויותר יעילה יותר ויותר.