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电力人眼中的石墨烯  

2016-11-07 11:07:54|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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近日,浙江宁波供电公司220千伏蟹浦变电站附近,工作人员正在给铁塔涂刷防腐涂层。看似普通的一层薄薄涂料,却包含了当今世界最前沿的“黑科技”——石墨烯。

  日前,宁波供电公司和中国科学院宁波材料技术与工程研究所(下称“中科院材料所”)成立联合实验室,共同探索研究石墨烯的奥秘,其中一项重要成果就是石墨烯基电力杆塔导电重防腐新型涂料。它的防腐性能超出传统涂料至少两倍,使杆塔的防护寿命达到10年以上,填补了国内电网防腐涂料的技术空白。而这仅仅只是石墨烯应用的冰山一角,它的神奇之处还远不止于此。

  什么是石墨烯?

  2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视野,获奖者英国曼彻斯特大学的安德烈˙海姆和康斯坦丁˙诺沃肖洛夫两位教授,从石墨薄片中成功剥离出了石墨烯。

  石墨烯非常薄,厚度只有一根头发的20万分之一,是目前已知最薄的一种材料。同时,石墨烯又非常硬,一片石墨烯就能承受相当于一头成年大象的重量,其硬度超过钻石,比世界上最好的钢铁还要再硬上100倍,足以问鼎最坚硬材料。石墨烯还拥有惊人的柔软性,可在不出现破损的情况下伸展20%以上。此外,石墨烯的导电性远高于铜,导热性在地球上难有匹敌,几乎完全透明,不亲水也不亲油,耐酸耐碱,化学稳定性良好。总之,隐藏在铅笔芯中的石墨烯有着数百种神奇的能力。

  其实,拥有诸多特性的石墨烯化学结构十分简单,简单到令人不可思议。一片石墨烯就是一层碳原子,它们按照六边形紧密排布、相互连结,形成蜂巢图案。要得到石墨烯似乎也不太难,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而成,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,石墨烯就出现了。

  石墨烯能给我们带来什么?

  如果使用石墨烯作为原材料或辅助材料,很多科幻片中的场景将成为现实。我们不妨想象一下,用石墨烯做的手机可以随意折叠,用石墨烯做的飞机、汽车又轻又坚固,石墨烯甚至可以为医学领域带来重大突破。

  简单却又神奇,石墨烯的发现轰动了材料学界。石墨烯因高导热性、优异的导电性、耐蚀性、高机械强度和良好的自润滑性成为重要的结构和功能新材料的增强体。随着石墨烯的生产逐渐规模化及其质量和层数可控性程度的提高,石墨烯复合材料的研究越来越受到国内外学者的关注。欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个“未来新兴技术旗舰项目”之一,美国也将石墨烯视为同3D打印技术同等重要的支撑未来科技发展的战略性产业。目前,英、德、美、日等国已在石墨烯低成本、规模化绿色制备及石墨烯增强复合材料和应用技术领域取得了一定的研究成果,初步揭示了石墨烯复合材料的结构、产品性能、应用功能的调控机制,初步实现了石墨烯增强复合材料在高频电子、传感器、柔性显示等领域的应用。

我国在石墨烯领域研发起步较晚,但发展速度惊人,目前已成为石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。近年来,以中科院材料所、北京航空材料研究院为代表的研究结构已在石墨烯粉体低成本、规模化制备技术的研究上取得重要进展,石墨烯成本已从最初的每克几千元降到大批量生产时的每克几元甚至低于1元。尽管尚未经过产品均一、稳定性等严格的考验,但为其在下游的规模化应用提供了极大可能。

  近年来,国家电网公司大力推动新材料、新技术、新工艺的应用。相较于传统材料,新材料能进一步提升电网长期运行的可靠性和安全性,降低电网建造和维护成本,同时还兼具传统材料所不具备的优异性能和特殊功能,满足日益严苛的输电需求。在石墨烯与电网材料的相关研究中,为了使防腐新材料成功“孵化”,宁波供电公司把握国内石墨烯研究领军机构中科院材料所位于宁波的地缘优势,主动寻求合作,说明研究意向。在多次争取、沟通之下,本着优势互补、资源共享、合作共赢的基本原则,宁波供电公司与中科院材料所积极建设宁波电网新材料联合实验室,为新材料、新技术发展贡献力量。

  联合实验室是技术合作的联合体,双方共同研究开发电网设施、设备表面防护材料和高性能导电材料,加速科技成果的转化,提升电网企业在新材料领域的技术水平和自主创新能力,促进表面工程技术和电网新材料在电力行业的示范应用,实现共赢目标。于是,双方对石墨烯在电网材料上的研究、应用开始步入深水区。

  目前石墨烯应用方面取得了什么成果?

  “宁波沿海地区输电线路附近化工厂数量多、空气含硫废气含量高、湿润海风影响大,导致沿海输电杆塔腐蚀情况较内陆地区快3至5倍。”宁波供电公司信息通信分公司科技专职方云辉坦言,铁塔防腐一直是宁波供电公司致力研究的一个问题。

  目前,人们在防腐蚀方面的最新发现就是石墨烯。常用的聚合物涂层很容易被刮伤,降低了保护性能。而石墨烯做保护膜,能显著延缓金属的腐蚀速度,更加坚固抗损伤。基于石墨烯的这种特性,宁波供电公司把联合研究重点放在了如何实现石墨烯在铜基体中的均匀分散和两相界面的良好结合上,致力于研制两种体系高性能石墨烯基重防腐涂层——高导热石墨烯基重防腐涂层和石墨烯基导电涂层,实现沿海地区变电站变压器、隔离开关、输电塔架、变电站接地网等输变电设施设备的长效防腐。

  而将石墨烯材料与有机高分子防腐涂料结合起来,可获得环保、低成本、高效、便于施工的重防腐材料与技术。在输电设备中使用石墨烯基新型碳材料后,可平稳提升线路输电能力、保障输电安全,显著延长输电塔架、线路、输变电设备的服役寿命,将传统镀锌层输电塔架在海洋大气区和工业区的防护寿命提高6年以上,减少维修检修次数和维修频率,确保输电安全。目前石墨烯基电力杆塔导电重防腐新型涂料已经研制成功,并在镇海、北仑、鄞州等区域使用,效果良好。

  “我们会继续拓展、深入这方面研究。下一步,将重点研究石墨烯电网自清洁防结冰涂层材料及关键技术。”方云辉拿出研究计划表说。

  每年冬季,我国南部省份容易发生低温雨雪冰冻灾害,致使高压输电线路及绝缘子出现不同程度的结冰、覆冰现象,影响输电安全。从石墨烯入手,开展电力传输领域超疏水涂层防结/覆冰技术研究,并将其技术“嫁接”于输电线路、钢塔架及玻璃绝缘子产品上,进一步开展其“自清洁防覆冰输电线路”与“自清洁玻璃绝缘子技术”研发、工程应用示范及产业化推广,并形成高技术创新产品,逐步推广应用电力传输领域,对增强国家电力系统安全,保障人民正常生活生产有着重要意义。

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