Het Graphene Flagship bracht Europese toponderzoekers en bedrijven samen om de meest ontwrichtende manieren te bespreken waarop grafeen composieten die in de ruimtevaart worden gebruikt, kan verbeteren, auto- en energie-industrie. Het multidisciplinaire team bestond uit onderzoekers van academische instellingen, zakelijke ondernemingen zoals Graphene Flagship Partners Nanesa en Avanzare, en grote eindgebruikersindustrieën voor vervoer, zoals Graphene Flagship Partners Airbus en Fiat. Ze toonden aan dat het integreren van grafeen en aanverwante materialen (GRM's) in vezelversterkte composieten (FRC's) een groot potentieel heeft om het gewicht en de sterkte te verbeteren, en helpt de knelpunten te overwinnen die de toepassingen van deze composieten in vliegtuigen beperken, auto's, windturbines en meer. Vandaag de dag, de transportsector is verantwoordelijk voor bijna een derde van de wereldwijde vraag naar energie, en het is de belangrijkste bron van vervuiling en uitstoot van broeikasgassen in stedelijke gebieden. Graphene Flagship-wetenschappers proberen daarom voortdurend nieuwe materialen te ontwikkelen om het brandstofverbruik en de CO . te verlagen ₂ uitstoot, helpen om milieuschade en klimaatverandering te beperken.

Met grafeen geïntegreerde composieten zijn een voorbeeld van lichtere materialen met een groot potentieel voor gebruik in voertuigframes. Ze worden geconstrueerd door grafeenplaten te introduceren, een paar miljardsten van een meter dik, in hiërarchische vezelcomposieten als nano-additieven. Hiërarchische vezelcomposieten zijn een soort composietmateriaal waarin componenten van verschillende afmetingen op een gecontroleerde manier worden gecombineerd om de mechanische eigenschappen aanzienlijk te verbeteren. Ze bestaan ​​meestal uit micro- of mesoscopische koolstofvezels, een paar miljoenste van een meter dik, gehecht aan een polymeermatrix, en ze worden al gebruikt als bouwmateriaal om voertuigen in alle soorten en maten te maken.

De hoge beeldverhouding van grafeen, hoge flexibiliteit en mechanische sterkte maken het mogelijk om de sterkte van zwakke punten in deze composieten te verbeteren, zoals op het raakvlak tussen twee verschillende componenten. De afstembare oppervlaktechemie betekent ook dat interacties met de koolstofvezel- en polymeermatrix naar behoefte kunnen worden aangepast. de vezel, polymeermatrix en grafeenlagen werken allemaal samen om mechanische spanning te verdelen, resulterend in een materiaal met verbeterde sterkte en andere gunstige eigenschappen.

Er zijn veel uitdagingen om over na te denken. Bijvoorbeeld, vliegtuigen ervaren temperatuurschommelingen tussen 20 °C en -40 °C elke keer dat ze opstijgen en landen, met enorme verschillen in druk en vochtigheid. Met grafeen geïntegreerde composieten moeten daarom bestand zijn tegen condensatie van water en zelfs bevriezing in de romp. Ze moeten ook blikseminslagen doorstaan, die meerdere keren per maand gebeuren, dus de geleidende eigenschappen van grafeen moeten worden benut om een ​​elektrisch geleidend raamwerk te creëren dat bestand is tegen elektromagnetische impulsen. Bij auto's, nieuwe structurele materialen moeten bestand zijn tegen crashtests en licht genoeg zijn om brandstofzuinig te zijn. Graphene Flagship-onderzoekers onderzoeken ook geleidende materialen om circuits in autodashboards te vervangen.

Onderzoekers en eindgebruikers komen samen

Graphene Flagship-partners aan de Queen Mary University en het National Graphene Institute, VK, FORTH-Hellas, Griekenland, CNR, Italië, en Chalmers University of Technology, Zweden, werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Turijn, de Universiteit van Trento en KET-LAB, Italië, en de Universiteit van Patras, Griekenland, om perspectieven te bieden vanuit de onderzoeksgemeenschap. Ze werkten samen met wetenschappers van Graphene Flagship-partnerbedrijven Nanesa, Italië, en Avanzare, Spanje, om de technologische levensvatbaarheid van in grafeen opgenomen FRC's te beoordelen.

Francesco Bertocchi, co-auteur van de paper en voorzitter van Nanesa, is van mening dat FRC's waarin grafeen is verwerkt inderdaad haalbaar zijn voor voertuigontwerp, en heeft nieuwe composieten gecreëerd met veel essentiële eigenschappen voor de transportindustrie. "Dankzij het Graphene Flagship, Nanesa heeft nauw samengewerkt met veel partners om veel verschillende prototypes te maken. Deze omvatten eigenschappen zoals vlamvertraging, waterdamp absorptie barrière, hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, en EMI-afscherming. We integreerden ook thermo-resistieve systemen voor de-icing en anti-icing, " hij zegt.

Graphene Flagship Partners Airbus en Fiat-Chrysler Automobiles, toonaangevende lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie, evalueerde de impact van in grafeen opgenomen FRC's op de ruimtevaart- en auto-industrie en beoordeelde hun commerciële levensvatbaarheid.

Tamara Blanco-Varela, co-auteur en materiaal- en procesingenieur bij Airbus, legt uit dat Airbus er hard aan werkt om deze materialen geschikt te maken voor gebruik in nieuwe vliegtuigmodellen. "We weten allemaal dat de luchtvaartsector een grote uitdaging is voor de introductie van nieuwe materialen of technologieën. Airbus zet zich in om grafeengerelateerde materialen zo snel mogelijk te laten vliegen, en er wordt gewerkt aan een stapsgewijze aanpak, ", zegt ze. Door 'quick-win'-toepassingen te selecteren met onmiddellijke voordelen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie, ze verwacht dat in grafeen geïntegreerde FRC's binnenkort op de markt zullen komen.

"Een voorbeeld is het gebruik van deze materialen voor anti- en ijsbestrijdingsdoeleinden in vliegtuigen, waarvoor Airbus de activiteiten zal leiden die gericht zijn op de commerciële exploitatie van deze technologie. We hopen dat het een hoog volwassenheidsniveau zal bereiken, met een doelgereedheidsniveau tussen vijf en zes, in de komende jaren."

Brunetto Martorana, co-auteur en onderzoeker bij Graphene Flagship-partner Fiat-Chrysler Automobiles, voegt toe:"De interessante structurele eigenschappen van grafeen hebben een interessant venster geopend voor het ontwerpen van nieuwe lichte composieten." Hij legt uit dat nieuwe lichtgewicht composietmaterialen niet per se minder sterk hoeven te zijn en veiligheidsproblemen veroorzaken. "Er moeten nieuwe benaderingen worden gevonden om de 'crashworthiness' van composieten te verbeteren - en grafeencomposieten kunnen die rol misschien vervullen, " vervolgt hij. Fiat-Chrysler Automobiles heeft zich nu gecommitteerd aan de commercialisering van nieuwe composietmaterialen, en zal een nieuw initiatief leiden om deze technologie op de markt te brengen."

Een opbeurend vooruitzicht

"Het Graphene Flagship zorgt voor een stabiele, Doorzichtig, langdurige samenwerking voor verschillende partners om samen te werken. Ze zijn allemaal hun samenwerking begonnen als onderdeel van ons Composites Work Package, " zegt Vincenzo Palermo, Graphene Flagship Vice-Director en hoofdauteur van de paper. "Het Graphene-vlaggenschip stimuleert alle partners om frequente interacties te hebben, met regelmatige bijeenkomsten, zoals in dit geval partners die met verschillende motivaties aan grafeen begonnen te werken, zijn samengekomen om gemeenschappelijke uitdagingen aan te pakken, " hij zegt.

Galiotis, de leider van het Composites Work Package van het Graphene Flagship, geeft aan dat deze samenwerking zeer waardevol is geweest. "Dit is een uitgebreid overzicht van het werk dat is ondernomen in het Graphene Flagship, en elders, om te bevestigen dat de toevoeging van GRM's voordelen biedt voor veel toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, auto, energie- en vrijetijdsindustrieën." Galiotis toont bijzondere belangstelling voor de analyse van de recensie van de beste manieren om GRM's tot composieten te verwerken, het effect hiervan op de algehele composietprestaties, en de uitdagingen waarmee wetenschappers worden geconfronteerd bij het zoeken naar hoogwaardige composieten. "Algemeen, Ik denk dat dit een actueel overzichtsartikel is voor het composietenveld, die met belangstelling moet worden gelezen door alle partijen die betrokken zijn bij de ontwikkeling en het gebruik van composieten, " concludeert hij.

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het managementpanel, commentaar:"Dit document toont het leiderschap van grote bedrijven en kleine ondernemingen, alle partners van het Graphene Flagship, om grafeencomposieten de komende jaren op de markt te brengen. Dit toont nogmaals de gestage vooruitgang van het Graphene Flagship langs zijn technologie- en innovatieroadmap."