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新技术让石墨烯有了磁性 这里的新型石墨烯为新材料发展辟开新路

2021-04-08 15:31:45来源:科技日报

石墨烯材料及其复合材料是国家的战略性产业,已经渗透到国民经济、国防建设和社会生活的各个领域。作为全球研究热门的前沿材料,石墨烯材料正处于大规模产业化的起跑线上。2019年,随着我国首个石墨烯国家标准——《纳米科技术语第13部分:石墨烯及相关二维材料》正式发布,我国石墨烯新材料行业开始进入产业化攻坚阶段。

8月7日,记者从内蒙古赤峰市科技局获悉,一种采用自主研发的新技术制备的磁性石墨烯,在内蒙古科技成果转化项目的支持下进入了产业化开发阶段。项目采用高效可控的制备方法合成新材料,突破了产业化制备高性能磁性石墨烯复合物材料的技术瓶颈,填补了我国磁性石墨烯工业化生产空白。

重大突破  新技术让石墨烯有了磁性

随着科技的发展和市场需求的拓宽,市场上现有的石墨烯材料已经无法满足一些领域的需求,亟待开发一些新兴的石墨烯复合材料。

当前,电网覆盖范围、电动车快速充电设施的建设、智能手机使用数量的扩大,人们暴露于电磁场的概率大大增加。当磁性材料与石墨烯复合后形成磁性的复合材料,这种材料可以同时消耗电磁场中的电场和磁场部分,其电磁波吸收和电磁波调制性能大幅提升。

“石墨烯新材料产业化的关键和难点是相关材料的制备与转移技术。”该磁性石墨烯项目承接单位,内蒙古元瓷新材料科技有限公司副总经理李双军介绍,2016年企业研发团队与哈尔滨工业大学化工与化学学院建立了密切的合作关系,共同研发磁性石墨烯完善的制备工艺。

研发团队通过材料、性能和生产工艺等创新,使磁性粒子负载在石墨烯表面,创造了以石墨烯为基体的磁性-电性能一体化多功能复合材料。

“磁性粒子负载在石墨烯表面,实现两种不同功能的组元之间可控组装紧密结合在一起,构成一体化功能复合材料。在发挥各自隐身功能的基础上还互补,创造出以石墨烯为基体的磁性材料。”李双军告诉记者,磁性石墨烯获得了内蒙古自治区2020年新材料首批认定,有望在基础材料应用、电磁屏蔽和电磁波调制、国防军工、新能源应用等领域均存在广阔应用前景。

创新工艺  材料制备实现绿色高产

据李双军介绍,以往获取磁性石墨烯材料的技术主要是两种途径,一种是铁、钴、镍等磁性材料与碳材料采用物理混合,这种混料方式产生的复合材料是物理混合方式,很容易发生两者分离,不能发挥预想的作用。另一种是化学方式制备,采用多种原材料在有极溶剂中发生裂解和化学复合,产品在液相中形成,需要经过多次水洗和复杂的分离步骤才能完成,对环保和资源利用造成巨大的压力。

为了克服生产工艺稳定性差、工序繁琐复杂、环保和资源利用压力大等的缺点,研发团队不断优化工艺技术,创新研发出磁性石墨烯工业化生产制备平台。通过该制备平台产出的磁性石墨烯材料在材料尺寸、材料参数指标、生产可靠性、稳定性等方面都达到了国内领先水平。

据了解,该制备平台采用智能化称取、投料控制等提升了资源利用效率,在生产过程中实现自动化的控制与管理,且整个过程不排放废液、废渣,合成的粉体纯度高,不需要二次纯化步骤,原料利用率接近100%。

2019年,内蒙古元瓷新材料科技有限公司承担了自治区科技成果转化项目“磁性石墨烯材料产业化建设”。在完善磁性石墨烯生产线基础上,进一步优化工业化工艺,下一步将稳步实现年产10吨的总体中试目标。

未来可期 石墨烯新材料将打破技术垄断

“2019年我们在中试阶段突破了0.1吨的年产量,2020年就实现年了5吨的年产量。”李双军表示,由于我国磁性石墨烯材料基础研究发展迅速然而工业化生产及市场开拓未能同步快速发展,投入大批量工业化生产仍处于空白阶段。应磁性碳基复合物广泛的行业需求,推动磁性石墨烯的工业化生产对新材料领域的发展具有积极意义。

“磁性石墨烯材料产业化建设”项目解决了电磁防护,水污染、土壤污染治理、新能源电池、储能器件等多领域应用问题,系统构建了制备平台功能体系,打造出人、机、物全面互联的新型基础设施。该技术的突破使我国磁性石墨烯材料的产业化成为可能,将打破国外磁性石墨烯相关产业化技术垄断的格局,大大提高我国石墨烯产品的国际市场竞争力。

下一步,该研发团队包括多层包裹纳米管的制备方法在内的9项自主知识产权的专利技术将持续利用并实施到磁性石墨烯产业化过程中。“磁性石墨烯应用突破后,大批企业将投身石墨烯产业化,石墨烯产值预计进一步提升,从而带动第六元素碳行业产业化应用突破,整个行业将迎来应用一次应用爆发。”李双军说。(记者 张景阳 通讯员高飞)

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