The Graphene Flagship samlade europeiska toppforskare och företag för att diskutera de mest störande sätten grafen skulle kunna förbättra kompositer som används inom flyg- och rymdindustrin, fordons- och energiindustrin. Det multidisciplinära teamet involverade forskare från akademiska institutioner, affärsföretag som Graphene Flagship Partners Nanesa och Avanzare, och stora transportslutanvändarindustrier, som Graphene Flagship Partners Airbus och Fiat. De visade att integration av grafen och relaterade material (GRM) i fiberförstärkta kompositer (FRC) har stor potential att förbättra vikt och styrka, och hjälper till att övervinna flaskhalsarna som begränsar tillämpningarna av dessa kompositer i plan, bilar, vindkraftverk med mera. Nu för tiden, transportindustrin står för nästan en tredjedel av den globala energiefterfrågan, och det är den största källan till föroreningar och utsläpp av växthusgaser i stadsområden. Graphene flaggskeppsforskare försöker därför ständigt utveckla nya material för att minska bränsleförbrukningen och CO ₂ utsläpp, bidra till att mildra miljöskador och klimatförändringar.

Grafenintegrerade kompositer är ett exempel på lättare material med stor potential för användning i fordonsramverk. De är konstruerade genom att introducera grafenark, några miljarddels meter tjock, in i hierarkiska fiberkompositer som nanotillsatser. Hierarkiska fiberkompositer är en typ av kompositmaterial där komponenter av olika storlekar kombineras på ett kontrollerat sätt för att avsevärt förbättra de mekaniska egenskaperna. De består vanligtvis av mikro- eller mesoskopiska kolfibrer, några miljondelar av en meter tjock, fäst till en polymermatris, och de används redan som byggmaterial för att tillverka fordon av alla former och storlekar.

Grafens höga bildförhållande, hög flexibilitet och mekanisk styrka gör det möjligt att förbättra styrkan hos svaga punkter i dessa kompositer, till exempel vid gränssnittet mellan två olika komponenter. Dess avstämbara ytkemi innebär också att interaktioner med kolfibern och polymermatrisen kan justeras efter behov. Fibern, polymermatris och grafenlager arbetar alla tillsammans för att fördela mekanisk spänning, vilket resulterar i ett material med förbättrad styrka och andra fördelaktiga egenskaper.

Det finns många utmaningar att ta hänsyn till. Till exempel, flygplan upplever temperaturförändringar mellan 20 °C och -40 °C varje gång de lyfter och landar, med stora skillnader i tryck och luftfuktighet. Grafenintegrerade kompositer behöver därför tåla att vatten kondenserar och till och med fryser inuti flygkroppen. De måste också utstå blixtnedslag, som händer flera gånger i månaden, så de ledande egenskaperna hos grafen måste utnyttjas för att skapa ett elektriskt ledande ramverk som motstår elektromagnetiska impulser. I bilar, nya konstruktionsmaterial måste klara krocktester och vara tillräckligt lätta för att säkerställa bränsleeffektivitet. Graphene Flagship-forskare undersöker också ledande material för att ersätta kretsar i bilars instrumentbrädor.

Forskare och slutanvändare möts

Graphene Flagship-partners vid Queen Mary University och National Graphene Institute, STORBRITANNIEN, FORTH-Hellas, Grekland, CNR, Italien, och Chalmers tekniska högskola, Sverige, samarbetat med forskare vid universitetet i Turin, universitetet i Trento och KET-LAB, Italien, och universitetet i Patras, Grekland, att ge perspektiv från forskarsamhället. De arbetade med forskare på Graphene Flagship partnerföretag Nanesa, Italien, och Avanzare, Spanien, för att granska den tekniska livskraften hos grafeninkorporerade FRC:er.

Francesco Bertocchi, medförfattare till tidningen och president för Nanesa, anser att grafeninbyggda FRC verkligen är möjliga för fordonsdesign, och har skapat nya kompositer med många väsentliga egenskaper för transportindustrin. "Tack vare flaggskeppet grafen, Nanesa har arbetat i nära synergi med många partners för att skapa många olika prototyper. Dessa inkluderar egenskaper som flamskydd, vattenångabsorptionsbarriär, hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, och EMI-skärmning. Vi integrerade även termo-resistiva system för avisning och anti-isning, " han säger.

Graphene Flagship Partners Airbus och Fiat-Chrysler Automobiles, världsledande flyg- och bilindustri, utvärderade effekten av grafeninkorporerade FRC på flyg- och fordonsindustrin och bedömde deras kommersiella lönsamhet.

Tamara Blanco-Varela, medförfattare och material- och processingenjör på Airbus, förklarar att Airbus arbetar hårt för att göra dessa material lönsamma för användning i nya flygplansmodeller. "Vi vet alla att flygsektorn är mycket utmanande för införandet av nya material eller teknologier. Airbus har åtagit sig att få grafenrelaterade material att flyga så snart som möjligt, och ett steg-för-steg tillvägagångssätt håller på att upprättas, " säger hon. Genom att välja "snabbvinnande" applikationer med omedelbara fördelar för flygindustrin, hon räknar med att grafenintegrerade FRC kommer att nå marknaden snart.

"Ett exempel är att använda dessa material för anti- och avisningsändamål i flygplan, för vilka Airbus kommer att leda aktiviteter som är inriktade på kommersiellt utnyttjande av denna teknik. Vi hoppas att det ska nå en hög mognadsnivå, med en målberedskapsnivå mellan fem och sex, under de närmaste åren."

Brunetto Martorana, medförfattare och forskare på Graphene Flagship partner Fiat-Chrysler Automobiles, tillägger:"De intressanta strukturella egenskaperna hos grafen har öppnat ett intressant fönster för att designa nya ljuskompositer." Han förklarar att nya lätta kompositmaterial inte nödvändigtvis behöver ha lägre styrka och införa säkerhetsproblem. "Nya tillvägagångssätt måste hittas för att förbättra "krockvärdigheten" hos kompositer - och grafenkompositer kanske kan fylla den rollen, " fortsätter han. Fiat-Chrysler Automobiles har nu åtagit sig att kommersialisera nya kompositmaterial, och kommer att leda ett nytt initiativ för att föra ut denna teknik på marknaden."

En upplyftande syn

"Graphene flaggskeppet ger en stabil, klar, långvarigt partnerskap för olika partners att arbeta tillsammans. De började alla sitt samarbete som en del av vårt Composites Work Package, " kommenterar Vincenzo Palermo, Graphene Flagship Vice-direktör och huvudförfattare till tidningen. "The Graphene Flagship driver alla partners att ha frekventa interaktioner, med regelbundna möten – som i det här fallet, partners som började arbeta med grafen med olika motiv har samlats för att ta itu med gemensamma utmaningar, " han säger.

Galiotis, ledare för Graphene Flagship's Composites Work Package, uttrycker att detta samarbete har varit mycket värdefullt. "Detta är en omfattande genomgång av arbetet som utförts i flaggskeppet Graphene, och på andra ställen, för att bekräfta att tillägget av GRM ger fördelar för många applikationer inom flyg- och rymdindustrin, bil, energi- och fritidsindustrin." Galiotis uttrycker särskilt intresse för granskningens analys av de bästa sätten att bearbeta GRM till kompositer, effekten av detta på den totala sammansatta prestandan, och de utmaningar som forskarna står inför i sökandet efter högpresterande kompositer. "Övergripande, Jag tror att detta är en läglig recensionsartikel för kompositområdet, som bör läsas med intresse av alla parter som är involverade i kompositutveckling och användning, " avslutar han.

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer för Graphene Flagship och ordförande för dess ledningspanel, kommentarer:"Detta dokument visar ledarskapet för stora företag och små företag, alla partners till flaggskeppet Graphene, att ta grafenkompositer till marknaden under de närmaste åren. Detta visar återigen de stadiga framstegen för flaggskeppet grafen längs dess färdplan för teknik och innovation."