中国发展网

李炯利:通过开展石墨烯改性技术研究,使航空材料升级换代

2018-10-13 中国发展网

中国发展网 记者刘丹阳报道 10月13日,中国航空发动机集团有限公司北京石墨烯技术研究院技术开发部部长李炯利在中国发展50人论坛-石墨烯专题研讨会,暨安德烈德通石墨烯金秋茶话会上发表致辞,他在演讲中指出,这是我们整体在航空装备上应用的思路,利用石墨烯的优异特性,针对飞机、发动机和直升飞机的应用和背景需求,通过开展石墨烯改性技术研究,使航空主干材料和关键材料得到一个改进升级,升级换代。

航发集团李炯利

中国航空发动机集团有限公司北京石墨烯技术研究院技术开发部部长李炯利 安然摄影

以下为李炯利的演讲原文:

非常荣幸代表北京石墨烯技术研究院汇报工作,我今天看到很多专家都是行业内的翘楚顶级专家,我今天也是抱着学习来的态度来的,如果不表述不合适的地方,请大家批评指正。

报告分为以下几个研究部分,首先是背景,随着航空装备的快速发展,对航空材料的自主创新提出了迫切的需求,但是我们现有的传统材料在轻脂、高温、高强、导热导电方面都是表现出它的材料发挥潜力到了极限,所以利用现有的传统手段很难再进一步提升材料的性能,比如我们利用热处理已经遇到了瓶颈,而且材料有限提升也会带来应用成本的提升和加工性能的下降,所以要想突破这个瓶颈,我们接下来介绍的石墨烯是一个重要的方向,因为它具有一系列的优异性能,这里我就不介绍了,我们在后续的应用里面都是利用这些相应的特性有针对性的进行改进。

这是我们整体在航空装备上应用的思路,利用石墨烯的优异特性,针对飞机、发动机和直升飞机的应用和背景需求,通过开展石墨烯改性技术研究,使航空主干材料和关键材料得到一个改进升级,升级换代。

第二部分介绍一下北京石墨烯技术研究院在石墨烯及应用方面取得的一些研究进展。首先介绍一下北京航发北京航空材料研究院,它是国家科技创新体系和国防创新体系的重要组成部分。在2017年的时候北京市政府和航发集团出资10个亿,将北京石墨烯技术研究院近十年在石墨烯及应用投入的全部研发人员、知识产权以及相关的仪器设备进行了组合,组建了北京石墨烯技术研究院有限公司,简称,北京石墨烯技术研究院,专门从事石墨烯的应用技术研究和产业孵化,它也是北京石墨烯产业创新中心的运营主体,2007年的时候建成了我国首条成规模的石墨烯应用技术研究终试基地,目前有18个实验室。

整个研究历程从2008年开始,先后有石墨烯纳米线和石墨烯薄膜装备技术,随后在石墨烯在金属里面在非金属里面的应用都取得了突破性的进展,部分已经形成了产业化,这是目前拥有的一些实验室的情况,还有一些装备情况。

大概经过10年的研究已经累计开发新材料大概是60多类,部分已经完成了转化,此外还包括一些标准规范、发明专利、国防专利、科技论文等等。这是石墨烯制备技术的研究方向,大概是两个方向,今天好多专家都提到了男石墨烯、女石墨烯,左边是男石墨烯的应用,右边是女石墨烯的应用。

值得一提的是我们自己的石墨烯技术最开始也是跟应用齐头并进,也是进行了相应的研究,从实验室到工程化到批产,也是掌握了一些高品质低成本的制备技术,以及一些工业的转运装备,形成了完整的自主知识产权,石墨烯薄膜的情况同石墨烯纳米片的情况比较类似。

第三部分是主要进展,是今天报告的主题,是在航空装备上应用研究,也就是说我们在航空装备上哪些部位哪些器件可以应用到石墨烯。首先是先进航空的发动机材料,因为发动机材料是一个非常复杂的系统工程,它的材料涉及了金属、非金属,金属包括镍基的,钛的,非金属包括树脂级的复合材料,还有涂料、橡胶等等。

而现有的高温材料就像开始介绍到的,已经遇到了瓶颈,采用先进的合金化工艺很难再进一步提高高温性能,现在通过石墨烯的添加,可以有效的提高它的高温性能,以及乳变性能,罗罗(音)专家也是多次来到石墨烯技术研究院进行交流,双方确定共同推动下一代航空发动机材料的发展。而且除了在高温合金方面,还有轴承钢,石墨烯可以改善轴承钢的耐磨性,还有高温的润滑涂层,橡胶的分件,分散用的石墨烯改动振动阻力块,还有是钛合金的应用,这些都是有石墨烯在里面很好的性能提升和改性的效果。

还有一类是战机上用的材料,比如我们用到的钛合金,因为钛合金的导热系数比较低,它的导热系数只有个位数,10都不到,而石墨烯最理想的导热系数可以达到5300,所以在钛合金上少量添加石墨烯的话,可以带来它的导热系数大大的提升,大大扩展它在高温领域的应用,因为钛合金的强度可以,但是目前门皮因为它的导热性能比较差,如果我们现在通过石墨烯添加,可以让它的导热系数提高一倍,大大扩展了它的高温领域的应用。

此外就是刚才专家也提到了这种铝合金材料,我们也是针对航空上用的这种高比强度的铝合金材料,通过石墨烯来进行改性,左边这张图是一个透射照片,可以看到这些灰色的絮状的是在机体里面分散的,右边这张图是可以看到左右两边是铝的机体,可以看见中间灰色的是石墨烯,而且根据它的厚度算是十层之内,国际上公认10层之内也的也叫石墨烯。除了这些之外大家看到界面结合都是比较良好的,没有形成污染物、杂质恶化这个界面,而且还有一个值得探讨的问题是现在金属跟石墨烯之间的界面结合的机理,到现在没有一个定论,现在我们跟英国国家石墨烯研究院会定期的进行交流访问,我们会定期派过去我们的学生在那儿做客座访问,这个是一个重要的机理性的研究。

此外在5083铝合金上,在7050铝合金上,这都是航空上用的最普遍的材料,都是在原有的基础上通过石墨烯的添加得到性能很好的提升。

还有一部分是客机,这个客机上面主要针对的是线缆材料,就是通过石墨烯的改性,让现有材料的导电性跟强度匹配性更加提高,实现一个导电率比传统材料降低线缆的直径和数量,我们目前也是开发了航空导线用的铜电缆还有铝电缆,都是有很好的性能提升效果,为未来的减重打好技术储备。此外在低密度的材料,还有石墨烯的导电复合材料,还有舱内的隔音材料,这主要是橡胶,使用石墨烯改进提高抗撕裂、抗冲击的性能。还有一类是装甲材料,目前在站车还有警用的头盔、防弹衣上面有应用,我们就是通过石墨烯这种高的韧性,提高现有材料比如说陶瓷,比如传统的抗弹玻璃,提高它的韧性,大大降低了它的密度,这样就能在直升机上面披挂更多的装甲材料。

此外还有一些透明装甲材料,刚才专家也提到,石墨烯膜有很好的韧性,所以我们把石墨烯的薄膜一层一层添加到防弹玻璃里面,大大改善它的抗弹性能。还有军人无人机,就是这种点子分装材料,我们在传统的电子分装材料加入石墨烯,使它的导热提高20%,由原来的200现在可以做到240、250,大大提高了芯片里面可以分装的功率密度,使得以后战机上安装的雷达探测距离更远。还包括一些观瞄系统。

最后介绍一下国际合作,左边这张图刚才也出现过,也就是说从整个国家层面到我们集团,右边这张图是我们集团领导曹建国董事长,成立了中英的石墨烯航空航天材料联合研究中心,专门从事石墨烯航空材料的研发,这是在曼大官网上的报道,石墨烯会催生下一代航空装备的发展。此外就是康斯李教授(音)的学生多次来到石墨烯研究院进行参观指导,他对石墨烯研究院的评价也比较高。此外在2018年3月的时候也是代表中方和英方签订了材料工程技术联合研发中心,吸引到了多位的曼大的专家来到研究院进行交流访问,主要在先进的材料还有医疗健康、智能家居等等。当然石墨烯的发展离不开领导的关注,包括原来的国家领导人,还有一些军方的领导人,这张照片我想强调一下,这是军方领导在2014年的时候来到北京石墨烯技术研究院进行指导工作的时候发现我们研究了一种防弹装甲材料,他就召集了国内三家做防弹性能最好的单位进行PK,最后我们石墨烯防弹装甲不负重望,这个装甲材料实现了产业化,在天津成立了军航装甲科技有限公司,专用为军方还有警用提供防弹头盔、防弹背心还有透明的装甲材料等等。

刚才工信部赛迪研究院的肖所长提到了石墨烯创新中心能力建设是工信部一个很重要的工作,我们目前已经完成了石墨烯创新中心的招投标工作,目前正在努力申请成为国家级的石墨烯制造业的创新中心。最后诚挚邀请各位专家来北京石墨烯技术研究院指导工作,感谢各位专家。