日前，石墨烯涂層技術(shù)在秦皇島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)研制成功，該技術(shù)用于飛機新型發(fā)動機葉片隔熱保護(hù)。經(jīng)國家相關(guān)部門鑒定，該技術(shù)各項性能指標(biāo)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，完全可以滿足我國航天新型發(fā)動機實現(xiàn)葉片壽命1200小時需求，填補了國內(nèi)隔熱技術(shù)領(lǐng)域的空白。

新研制的石墨烯涂層技術(shù)解決了受熱部件抗氧化、抗彎曲、改變導(dǎo)熱系數(shù)等，有耐高溫、隔熱、耐腐蝕等特點，可抗高溫1500度左右，使發(fā)動機葉片壽命達(dá)到1200小時，比原來延長了3倍。

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，西方國家飛機發(fā)動機葉片壽命一般在1000小時到1600小時之間，而我國目前使用的還是兩代半機熱障涂層技術(shù)，發(fā)動機葉片壽命只有400小時左右。

據(jù)了解，石墨烯涂層技術(shù)是由遠(yuǎn)科秦皇島節(jié)能科技開發(fā)有限公司歷時5年自主研發(fā)運用石墨烯材料研制出來的。石墨烯材料主要是碳原子和稀土氧化物原子復(fù)合而成，這種復(fù)合性碳原子保護(hù)共性材料，使基礎(chǔ)材料強度增強，形成了超保護(hù)薄膜，從而改變了隔熱系數(shù)。

目前，該技術(shù)除應(yīng)用于我國航空航天領(lǐng)域外，電廠、煉化廠、鋼廠等民用領(lǐng)域也開始應(yīng)用，在節(jié)能降耗方面作用明顯。

什么是石墨烯基涂層制備？

分散好的石墨烯，通過高速攪拌方式可直接分散到樹脂或者固化劑體系中。在工藝制備中，需要考慮分散劑與樹脂或者分散劑是否會參加反應(yīng)，比如環(huán)氧樹脂涂層體系，一方面，石墨烯是惰性二維片層材料，但分散劑所含基團(tuán)可能會與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，而降低石墨烯的分散能力；另一方面，分散劑可能會與固化劑 （ 如腰果酚、聚酰胺等 ） 發(fā)生反應(yīng)。這主要涉及石墨烯基涂層存儲壽命或者保質(zhì)期的問題。另外，涂層體系的粘度對石墨烯在樹脂中的穩(wěn)定分散也有很大關(guān)系，粘度過大，石墨烯不會沉底或者浮色，但對噴涂施工性能有影響。

水性環(huán)氧和含0.5%石墨烯/環(huán)氧涂層涂層在鹽霧箱200小時后的照片

石墨烯基涂層防護(hù)機理

石墨烯是惰性碳材料，石墨烯本身對金屬基底不起到防護(hù)作用。石墨烯與金屬之間存在電勢差，在潮濕環(huán)境中可形成腐蝕原電池，加速金屬腐蝕，因為石墨烯具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能。但是納米石墨烯片具有優(yōu)異的阻隔水汽和疏水性能，可以提高涂層致密性和疏水性能。華東理工大學(xué)章勇以十六胺做分散劑對石墨烯進(jìn)行分散，然后將石墨烯分散到環(huán)氧涂層中制備抗靜電涂層，發(fā)現(xiàn)所制備石墨烯涂層的導(dǎo)電滲濾閥值為 0.5wt%；臺灣學(xué)者 Chang 采用納米澆鑄法制備疏水石墨烯復(fù)合環(huán)氧樹脂涂層，發(fā)現(xiàn)石墨烯可將水滴在環(huán)氧樹脂界面上的接觸角從 82°提高到 127°，其優(yōu)異的超疏水性能可以有效阻隔水分子及腐蝕介質(zhì)向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，提高涂層對金屬基底的防護(hù)效果。與同樣方法制備的粘土 / 環(huán)氧樹脂涂層相比，分散良好的石墨烯 / 環(huán)氧涂層的防護(hù)效果更加優(yōu)異；同時石墨烯可以使金屬表面形成一層氧化膜并起到鈍化作用。

三種石墨烯環(huán)氧涂層在干摩擦和海水摩擦的磨痕截面積(上)和在干燥條件下的磨痕形貌(下)

石墨烯基防腐涂料的未來研究方向

石墨烯是一種新型的單層片狀結(jié)構(gòu)的碳納米材料，具有完美的二維納米層狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的疏水性能和導(dǎo)電性能，并且是碳質(zhì)固體材料的基本結(jié)構(gòu)單元。雖然石墨烯基涂層的防護(hù)性能受多種因素影響，尤其石墨烯的分散狀態(tài)和層數(shù)，甚至部分腐蝕學(xué)者指出石墨烯涂層可以將金屬電子迅速轉(zhuǎn)移至涂層表面而加速金屬腐蝕，但致密的石墨烯涂層在腐蝕初期顯現(xiàn)出優(yōu)異的防護(hù)效果。對于石墨烯復(fù)合樹脂涂層，均勻分散的石墨烯不僅擁有優(yōu)異的疏水特性和阻隔性能，還擁有較好的電荷轉(zhuǎn)移特性，可作為防靜電涂層服役到油罐和輸油管道的工程實踐中。同時，石墨烯復(fù)合涂層在沖刷腐蝕的摩擦界面上可形成具有自潤滑的連續(xù)轉(zhuǎn)移膜，減小摩擦系數(shù)并提升基體樹脂材料的耐磨性能。為了進(jìn)一步深入了解石墨烯的防腐機制，并提高石墨烯作為納米二維填料的防腐蝕效果，需要在以下幾個方面開展深入研究工作：

1）石墨烯基多層自組裝體系在各種金屬基底表面的可控構(gòu)筑研究；2）石墨烯高效分散技術(shù)研究，包括非共價功能化、化學(xué)接枝改性和原位還原技術(shù)研究，在不改變石墨烯固有本征性能的同時，提高石墨烯在各種溶劑和樹脂材料中的分散性能；3）深入開展石墨烯分散性能與石墨烯復(fù)合涂層的防護(hù)機制研究，可通過絲束電極、微電極等微區(qū)測試技術(shù)，探究金屬在石墨烯涂層防護(hù)下的電流和電位分布，并通過人工加速實驗，弄清石墨烯基涂層的失效衍化機制；4）石墨烯與有機樹脂涂層間的腐蝕電化學(xué)機理研究，更深入地了解石墨烯在腐蝕反應(yīng)過程中的物理和化學(xué)變化。

2）石墨烯增強樹脂涂層在極端苛刻以及特殊環(huán)境下的防護(hù)性能的研究，如高溫環(huán)境、空間環(huán)境和生物液體環(huán)境等。

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整理：ChemicalBook中文編輯部

編輯人員：娜米