石墨是六边形层层排列的碳原子的单层,自2004年被隔离以来,石墨被誉为奇异材料。 石墨的强度、光度和电导性等不同寻常的结合,使它成为汽车安全革命性的主要候选物。 工程师和材料科学家正在积极研究将石墨加入车辆组件的方法,目的是制造不仅更轻、更节油、而且在坠机时更安全得多的汽车。

为何汽车材料的图形是理想

石墨烯的立体特性源于其独特的原子结构。 其抗拉强度大约是钢的200倍,但每单位体积重量却比它低6倍左右。 此外,石墨烯具有高度弹性,能高效地进行热电,几乎不易被气体渗透。 这些特性使工程师能够设计既强又能导的复合材料,在撞击时能够吸收能量,同时保持整体质量低。 当加入聚合物、金属或陶瓷中,石墨烯可以大幅提高机械性能,而不会增加大量重量。

与常规汽车材料的图样比较

传统汽车材料,如高强度钢和铝,经过几十年的优化,但每种材料都有权衡。钢铁都比较坚固,价格也比较低廉,但铝的形成更轻,但强度较低,成本较低,难以回收。碳纤维复合材料提供了高强度和低重量,但成本高,而且难以回收。 石墨烯强化复合材料可以弥合这些差距:它们可以在生产成本低的同时接近碳纤维的强度,或者在保持可坠性的同时将钢组件的重量降低50%。 在ACS应用材料和接口 中发表的研究显示,在环氧气裂强度增加的基础上,只有0.1%的石墨子的重量部分增加了50%以上。

图形在汽车安全中的关键应用

石墨素的集成跨越多个车辆子系统,以下是石墨素增强材料正在测试或已经商业化的最有希望的领域.

强化复合体小组

石墨纳米板可以分散成热塑性或热器,以产生比钢更轻,比铝更耐凹的面板。例如,在聚丙烯(一种常见的汽车塑料)中添加石墨板,可以使抗拉强度提高40%,弹性模度提高30%。这些复合材料可以注入护板、罩子和门板,降低车辆总重量和降低重心——这是滚滚阻的关键因素。在中,一项2022年的研究发现,与标准聚丙烯相比,在低速撞击中,石墨板吸收的能量增加了25%。

崩溃后的结构框架

石墨烯的高温模量和转移载荷的能力使得它最理想地强化坠机轨、保险杠束和底盘成员。 通过将石墨烯融入铝或镁合金,制造商可以生产更硬和更硬的组件。 例如,曼彻斯特大学开发的石墨烯-铝复合材料显示抗拉强度增加了17%,在动态装载过程中能量吸收也提高了20%。 在前置碰撞中,这种结构会以控制的方式碾碎,转移撞击力远离客舱。

轻型和安全电池

电动车辆(EVs)依赖于常安装在地板下的重型电池包. Graphene-增强复合材料可以用来创建轻量电池封装,保护电池免受穿孔和热流的伤害. Graphene的热导能有助于散热,降低火风险. 此外,基于石墨en的阳极和阴极可以更快充电,提高能量密度,使电池能够更小更轻. IDTechEx的2023年报告估计,到2030年,汽车电池中的石墨因将有利于减少30%的重量.

高级安全传感器和电子设备

石墨烯的优秀电能特性可以使高敏感压力和压力传感器得以实现。这些可以嵌入座位、方向盘和门板,以检测占位和姿态,精确地触发气囊部署。灵活的石墨烯传感器也可以实时监测轮胎压力和结构健康。剑桥大学[ 的研究人员已经演示出可穿戴的石墨烯传感器,通过监测方向盘握手模式来检测驾驶员疲劳。这类系统可以防止事故发生。

热管理和防冻

清晰的可见度对安全至关重要. 以石墨为基质的透明导膜可以在挡风玻璃和后窗中取代传统的金属氧化物涂层. 这些膜在施用电压时迅速和均匀地加热,防止冰层积聚而不添加重线,它们比氧化锡(ITO)涂层更耐用. 石墨浸透的涂层还有助于散热发动机,降低under-bonnet火灾的风险.

大规模生产石墨强化部件的挑战

尽管它有希望,将石墨纳入商业车辆面临若干障碍,主要挑战是实现一致、高质量的石墨规模,目前的生产方法——如化学蒸汽沉降和液相排出——生成石墨,其缺陷密度和层数各不相同,这种不一致导致最后部分的性能无法预测,成本是另一个障碍:纯石墨每克可花费数百美元,尽管石墨纳米板(烟雾层)越来越以适用于汽车应用的较低价格提供。

散射和粘合

即使石墨烯是负担得起的,但统一分散在基质中也是困难的。由于范德华力,石墨烯片往往会凝聚成群,产生弱点。表面功能化——将化学组与石墨烯结合——可以提高与聚合物的兼容性,但增加了复杂性和成本。正在探索先进的混合技术,如三轮碾磨和高挤压,但还没有优化用于高容量生产。

监管和安全关切

石墨纳米粒子如果处理不当,在制造过程中可能会造成吸入风险。 FMVSS(联邦机动车安全标准)和欧洲NCAP等汽车安全标准要求对新材料进行严格的测试。 虽然石墨纳米复合材料已经通过了初步的碰撞测试,但紫外线照射、湿度和热循环下的长期耐久性仍然需要验证。 业界正在与石墨纳理事会等组织合作制定标准化测试协议。

未来前景:走向生产车辆

某些汽车制造商已经开始将石墨融入生产模型或概念汽车。 比如,BAC Mono(一种高性能的轨迹汽车)使用石墨烯强化碳纤维体板,在增加强度的同时将重量降低20%。 2021年,石墨烯强化轻量级发动机盖出现在一些福特模型(与XG科学合作 ) 。 对于电动汽车,大众汽车和戴姆勒等公司正在投资石墨烯电池技术。 由 Grand View Research 预测,到2030年,汽车石墨烯市场将达到35亿美元。

即将突破

正在进行的研究侧重于利用甲烷甚至废石墨等丰富的碳来源生产石墨。闪光焦耳加热和电化学排卵技术显示低成本高产技术有希望。 此外,计算模型和机器学习正在加速设计最佳石墨接口。 随着这些技术的成熟,石墨增强部分的成本预计将下降50%或更多,从而可以供大众市场车辆使用。

与此同时,正在开发含有石墨的自愈复合材料:嵌入石墨的微囊治疗剂可以自动修复裂缝,延长组件寿命并维持安全边际,这些材料可以用于B ⁇ 柱或屋顶的铁道加固等战略性结构领域。

结论

石墨能通过开发超轻量级和强力材料来改造汽车安全性,这有着巨大的希望。 石墨能融入车体板、坠机结构、电池和传感器,不仅可以使车辆更轻、更高效,而且可以大大提高碰撞的弹性。 尽管在可伸缩制造、成本和长期验证方面仍然存在挑战,但创新的步伐表明石墨能增强汽车在未来十年内将变得普遍。 对汽车制造商来说,如今投资于石墨技术是朝着更安全、更可持续的机动性方向迈出的战略性一步。