日前，石墨烯涂層技術在秦皇島經濟技術開發(fā)區(qū)研制成功，該技術用于飛機新型發(fā)動機葉片隔熱保護。經國家相關部門鑒定，該技術各項性能指標達到了國際領先水平，完全可以滿足我國航天新型發(fā)動機實現葉片壽命1200小時需求，填補了國內隔熱技術領域的空白。

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

相關數據統(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，發(fā)動機葉片壽命只有400小時左右。

據了解，石墨烯涂層技術是由遠科秦皇島節(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合而成，這種復合性碳原子保護共性材料，使基礎材料強度增強，形成了超保護薄膜，從而改變了隔熱系數。

目前，該技術除應用于我國航空航天領域外，電廠、煉化廠、鋼廠等民用領域也開始應用，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，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，但分散劑所含基團可能會與環(huán)氧樹脂發(fā)生開環(huán)反應，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。這主要涉及石墨烯基涂層存儲壽命或者保質期的問題。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。華東理工大學章勇以十六胺做分散劑對石墨烯進行分散，然后將石墨烯分散到環(huán)氧涂層中制備抗靜電涂層，發(fā)現所制備石墨烯涂層的導電滲濾閥值為 0.5wt%；臺灣學者 Chang 采用納米澆鑄法制備疏水石墨烯復合環(huán)氧樹脂涂層，發(fā)現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向涂層內部擴散，提高涂層對金屬基底的防護效果。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構的碳納米材料，具有完美的二維納米層狀結構、優(yōu)異的疏水性能和導電性能，并且是碳質固體材料的基本結構單元。雖然石墨烯基涂層的防護性能受多種因素影響，尤其石墨烯的分散狀態(tài)和層數，甚至部分腐蝕學者指出石墨烯涂層可以將金屬電子迅速轉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出優(yōu)異的防護效果。對于石墨烯復合樹脂涂層，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)轉移膜，減小摩擦系數并提升基體樹脂材料的耐磨性能。為了進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筑研究；2）石墨烯高效分散技術研究，包括非共價功能化、化學接枝改性和原位還原技術研究，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合涂層的防護機制研究，可通過絲束電極、微電極等微區(qū)測試技術，探究金屬在石墨烯涂層防護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機理研究，更深入地了解石墨烯在腐蝕反應過程中的物理和化學變化。

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