日前，由江蘇中天科技股份有限公司（簡稱“中天科技”）牽頭，聯(lián)合中國科學(xué)院過程工程研究所共同研制的金屬（鋁）基石墨烯復(fù)合材料（簡稱“復(fù)合材料”）取得突破性進(jìn)展。該復(fù)合材料在保證實現(xiàn)實驗室性能數(shù)據(jù)的前提下，已在工業(yè)化連鑄連軋生產(chǎn)線上成功試生產(chǎn)，在石墨烯應(yīng)用于金屬領(lǐng)域的發(fā)展道路上邁出了關(guān)鍵一步。

    復(fù)合材料可將抗拉強(qiáng)度提升25%以上

    歷史上，每次革命性新材料的大規(guī)模采用，必然會掀起新一波產(chǎn)業(yè)革命的浪潮。新材料已經(jīng)成為科技創(chuàng)新的焦點。而“網(wǎng)紅”石墨烯，因其具備眾多優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和微觀量子性質(zhì)，一直被業(yè)內(nèi)看好，甚至有專家認(rèn)為，未來10——20年石墨烯將引發(fā)一場技術(shù)革命。

    關(guān)于石墨烯，坊間有戲言，稱其“除了不能吃，石墨烯可以用于一切領(lǐng)域，一切產(chǎn)品中。”中天科技此次將研發(fā)材料鎖定在石墨烯領(lǐng)域，也有其原因。中天科技相關(guān)負(fù)責(zé)人表示：“石墨烯及其相關(guān)應(yīng)用技術(shù)是目前全球關(guān)注的熱點，其具有獨特的二維結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性能和高導(dǎo)熱性能等超強(qiáng)的力學(xué)和功能特性，被認(rèn)為是最理想的復(fù)合材料增強(qiáng)相，相關(guān)課題的研究也成為復(fù)合材料領(lǐng)域的熱點方向。”更為重要的原因是，由中天科技和中科院過程工程研究所共同開展的金屬基石墨烯復(fù)合材料項目，瞄準(zhǔn)中天科技現(xiàn)有主營產(chǎn)業(yè)——鋁及鋁合金架空導(dǎo)線領(lǐng)域的關(guān)鍵瓶頸，即抗拉強(qiáng)度與導(dǎo)電率的矛盾關(guān)系進(jìn)行研究，目標(biāo)是在相對于傳統(tǒng)材料導(dǎo)電率不降或微降的前提下，大幅度提升材料抗拉強(qiáng)度。

    眾所周知，目前電纜市場，一方面是對銅電纜高度依賴，市場需求量大，一方面是銅資源短缺、價格急劇飆升，成本大幅度增加，而我國又是鋁資源大國，資源儲量非常豐富，那么，研發(fā)具有較高技術(shù)含量的、性能優(yōu)異的鋁電纜產(chǎn)品，以鋁替代銅是打破制約瓶頸的唯一出路。

    雖然鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度和良好延展性，但是鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料，受到導(dǎo)電性和抗拉強(qiáng)度的制約，電纜行業(yè)“以鋁代銅”的進(jìn)展并不樂觀。因此，如何提高鋁合金強(qiáng)度一直是研究者的主攻方向。目前來看，利用改變合金熔煉方式、調(diào)控成分、調(diào)整熱處理和變形工藝等方法進(jìn)一步提高鋁合金性能難有突破，鋁基復(fù)合    材料應(yīng)運(yùn)而生。在鋁合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳納米管制備鋁基復(fù)合材料來提高合金強(qiáng)度成為學(xué)者們研究方向。

    而石墨烯是迄今為止實驗發(fā)現(xiàn)的最堅韌、導(dǎo)電和導(dǎo)熱最好的材料。中天科技此次項目，在全球范圍內(nèi)首次成功使用工業(yè)化連鑄連軋方法批量制備出了鋁基石墨烯復(fù)合材料桿材，相對于此前的批次化生產(chǎn)，帶來更高的產(chǎn)能、更低的成本，對該復(fù)合材料未來的產(chǎn)業(yè)化推廣進(jìn)程具有重要意義。

    項目實施過程中，采用針對性工藝研制的復(fù)合材料，其抗拉強(qiáng)度提升范圍25%——50%，該數(shù)值與實驗室研究階段以及批次化中試階段獲得的數(shù)據(jù)基本一致，達(dá)到國內(nèi)外同類研究成果中的先進(jìn)水平。

    應(yīng)用范圍將擴(kuò)展至多種金屬制品領(lǐng)域

    不難看出，“材料之王”石墨烯已經(jīng)與鋁合金擦出了火花，并完美結(jié)合。據(jù)介紹，這種基于這種復(fù)合材料開發(fā)出的獨特石墨烯添加工藝，不僅有效解決了石墨烯與鋁之間難以浸潤的問題，還實現(xiàn)了石墨烯在連鑄連軋過程中的在線添加。

    而對于電纜行業(yè)，乃至整個金屬材料應(yīng)用領(lǐng)域而言，將帶來材料科技的重大變革。該技術(shù)的掌握，將不僅為石墨烯在架空導(dǎo)線用鋁材領(lǐng)域的應(yīng)用提供支撐，更可    在大多數(shù)鋁及鋁合金材料領(lǐng)域應(yīng)用，結(jié)合其他工藝調(diào)配，使新型復(fù)合材料獲得針對性更高的性能。例如在交通載具的輕量化發(fā)展過程中，“以鋁代鋼”已成為主要趨勢，在石墨烯的助力下，鋁材用量可以進(jìn)一步減少，實現(xiàn)更大程度的輕量化，其經(jīng)濟(jì)和社會效益十分顯著。

    具體到電纜領(lǐng)域，該項目成果將為我國電力系統(tǒng)建設(shè)提供全新的、革命性的導(dǎo)線產(chǎn)品選項，衍生出的新型導(dǎo)線品種將在節(jié)能降耗、抗重冰、大跨越等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)材料技術(shù)突破。

    下一步在該項目推廣方面，中天科技會有怎樣的布局？據(jù)該負(fù)責(zé)人介紹，目前中天科技已針對該項目技術(shù)成果進(jìn)行產(chǎn)業(yè)布局，依托旗下主營架空導(dǎo)線的子公司——上海中天鋁線有限公司實施，總投資3億元。屆時該先進(jìn)技術(shù)將率先應(yīng)用于鋁及鋁合金架空導(dǎo)線產(chǎn)品，之后向多種金屬制品領(lǐng)域拓展，可形成企業(yè)新的產(chǎn)業(yè)增長點，引領(lǐng)中國高端的石墨烯復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展，帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

    目前，行業(yè)內(nèi)已掀起石墨烯淘金熱，日、韓、德、英等國家也都把石墨烯材料及產(chǎn)品定為未來革新產(chǎn)業(yè)之一，投入巨資推動石墨烯研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用研究。此次中天科技成果展示，推動了我國石墨烯復(fù)合材料的發(fā)展，點亮了石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化前行之路。

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責(zé)任編輯：王元

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