グラフェン101：フォーム、プロパティ、アプリケーション
グラフェンは、マンチェスター大学（マンチェスター、英国）の研究者によって2004年に最初に分離され、特性評価されました。グラフェンは、接着テープを使用してグラファイトを個々の炭素層に分離し、2010年に創設者のアンドレガイムとコスティアノボセロフがノーベル物理学賞を受賞しました。 10年後、グラフェンで強化された複合アプリケーション（電気自動車用バッテリー用のアラミドナノファイバー強化スーパーコンデンサーから、航空宇宙複合工具や極低温圧力容器まで）が引き続き注目を集めています。材料自体は約10年前から市販されていますが、グラフェン評議会（米国ノースカロライナ州ニューバーン）の常務取締役であるTerrance Barkan氏によると、グラフェンの商業化への道は過去2年間で大幅に加速しています。実際、過去12か月だけで2,300を超えるグラフェン関連の特許が承認されたとグラフェン評議会は報告しています。
「不思議な素材」として称賛されているグラフェンは、その印象的な一連の機械的品質、高コスト、およびサプライチェーンの未熟さで知られるようになりました。その結果、グラフェン評議会やその他のグラフェン業界は、複合材料業界の専門家がグラフェンとは何か、および複合材料アプリケーションにおけるその可能性を新たに検討するのを支援しています。
フォームとプロパティ
グラフェンは、高密度のハニカム形状の結晶格子内に結合した炭素原子の2次元の平面シートです。グラフェンの最も純粋な形はわずか1原子の厚さですが、グラフェンは最大10個以上の炭素層を含むシートで製造することもできます。
グラフェン生産者は、いくつかの異なる方法でグラフェンを製造します。 1つの方法は、鉱物黒鉛などの原料から炭素の個々の層を剥離することです。あるいは、炭素の層をメタンなどのガス状原料から基板上に堆積させることができます（これは化学蒸着またはCVDと呼ばれます）。 CVDは、グラフェンの最も薄い単層バージョンを生成します。複合用途で使用されるバルクまたは多層グラフェン製品のほとんどは、グラファイトから剥離されています。
2010年にノーベル賞がGeimとNovoselovに授与された後、Barkanによれば、グラフェンを使用するアプリケーションの開発を求める企業や研究所が急増しました。
複合材料では、グラフェンは通常、電気伝導率と熱伝導率、耐久性、柔軟性、剛性、耐紫外線性、軽量化、耐火性などのさまざまな機械的特性を強化するために、樹脂マトリックスやその他の材料内の添加剤として使用されます。複合材料用途での使用で特に重要なのは、グラフェンが層間せん断破壊を低減し、複合材料ラミネート内の微小亀裂の問題を排除し、耐衝撃性/靭性を高めることもできるということです。 「それは基本的に魔法です」と彼は結論付けています。
グラフェンを使用することには固有の持続可能性の要因もあります、とBarkanは指摘します。グラフェン自体は、バイオディーゼル燃料などの廃棄物からリサイクルでき、その耐久性は、材料または製品の寿命を延ばし、それらをより持続可能にすることができます。さらに、グラフェンは純粋な炭素であるため、樹脂マトリックスに使用されている他の化学物質や添加剤の潜在的な毒性を回避できます。
グラフェンの形態
グラフェン製品の最終的な形態は、まず、材料を構成する炭素の層の数に依存します。 Barkanによれば、「元の」グラフェンは1原子層の厚さしかありませんが、炭素が10原子層以下の材料は、市場では依然としてグラフェンと呼ばれています。グラフェンは通常、ごく少数の層のグラフェン（vFLG、1〜3層の炭素）、数層のグラフェン（FLG、2〜5層）、多層のグラフェン（MLG、2〜10層）、またはグラフェンナノプレートレット（GNP）に分類されます。 、複数の層で構成できるグラフェンシートのスタック。
炭素層に加えて、グラフェンには、酸化グラフェン（GO、炭素、酸素、水素の化合物）を含むいくつかの市販の形態があります。還元型酸化グラフェン（rGO、酸素が少なく、炭素が多い）;グラフェン粉末、溶液またはペースト;グラフェンナノプレートレット（厚さ1〜3ナノメートル、横方向の寸法は100ナノメートル〜100ミクロン）。一部のアプリケーションでは、グラフェンの表面またはエッジに要素を追加する機能化グラフェン。機能化グラフェンの一例は、Haydale（Ammanford、UK）によって製造されたプラズマ処理グラフェンであり、Haydaleのグローバルマーケティング責任者であるGemma Smithによると、樹脂への分散中の凝集を防ぐのに役立つと言われています。
一般的に、レイヤー数が少ないほど価格は高くなります。グラフェン評議会によると、1〜2層のグラフェンは1平方メートルあたり最大$ 100,000の費用がかかる可能性がありますが（商用形態ははるかに安価ですが）、多層グラフェンの費用は1キログラムあたり$ 50〜1,500です。多くの複合材料アプリケーションでは、多層グラフェンまたはグラフェンナノプレートレットは、使用するのに十分な特性を示しているとBarkan氏は言います。 Barkanはまた、グラフェン分子は非常に小さいため、樹脂に完全にカプセル化されていると述べています。製造中に「脱落」したり「解放」されたりする可能性はありません。
機能化、配合、またはさまざまな溶媒や界面活性剤を使用して、その形態のグラフェンを用途に分散させる方法はいくつかあります。 Barkan氏は、グラフェンの商業化の1つの障害は、分散法が依然として多くのアプリケーションで理解して実行するのが難しいことであると述べています。
Barkanによると、複合材料の用途では、黒色火薬の形の多層ナノプレートレット（厚さ1〜5ナノメートル）が通常、液体樹脂または硬化剤にブレンドされます。他の多くの種類の添加剤とは異なり、グラフェンは、望ましい特性を達成するために非常に少量で組み込む必要があります。多くの場合、1重量％未満、多くの場合、10分の1重量パーセント以下になります。一部の企業は、特定の用途向けに繊維のサイジングにグラフェンを追加しています。また、繊維に織り込むこともできます。一部のナイロン繊維サプライヤーはこれを行っています、とBarkan氏は述べています。
「グラフェンは、考えられるほとんどすべてのプラスチック、樹脂、または溶剤に使用できます」とBarkan氏は言います。これには熱可塑性プラスチックが含まれ、グラフェンは通常、溶融混合段階で熱可塑性ビーズまたはペレットに組み込まれます。グラフェンと熱可塑性プラスチックの組み合わせは、樹脂の使用温度を上げ、その寿命を延ばすとBarkan氏は言います。
サプライヤーとアプリケーション
Barkanによると、現在、グラフェンを供給していると主張する企業は200社を超えています。ただし、これらのうち、約80％は小規模なラボ規模の運用であると彼は言います。彼は、現在約30の工業規模のグラフェン生産者が操業しており、新しい企業が頻繁に市場に参入していると推定しています。以下は、グラフェン評議会のメンバーである商用グラフェンサプライヤーのリストです。
| Abalonyx | ノルウェー、オスロ |
| 応用グラフェン材料 | イギリスのレッドカークリーブランド |
| アバンザレ | スペイン、ナバレット |
| 最初のグラフェン | オーストラリア、ヘンダーソン |
| General Graphene Corp. | 米国テネシー州ノックスビル |
| Glären | メキシコシティ、メキシコ |
| グローバルグラフェングループ | 米国オハイオ州デイトン |
| グラフェニア | スペイン、サンセバスティアン |
| Grolltex | 米国カリフォルニア州サンディエゴ |
| Nanotech Energy | 米国カリフォルニア州ロサンゼルス |
| Ntherma | 米国カリフォルニア州ミルピタス |
| 標準グラフェン | 大韓民国蔚山 |
| トーマススワン | 英国、コンセット |
| ユニバーサルマター | 米国テキサス州ヒューストン |
| Versarian PLC | 英国チェルトナム |
| ウィリアムブライス | 英国、アクリントン |
| XG Sciences | 米国ミシガン州ランシング |
| ゼングラフェンソリューション | カナダのサンダーベイ |
市場と用途：スポーツ用品から宇宙まで
グラフェン評議会は、半導体からコーティング、ゴム、そして複合材料に至るまで、グラフェンの45の主要なアプリケーション分野を特定しました。これは、現在、グラフェンの最大のユーザーであるとグラフェン評議会は述べています。
複合材料業界では、グラフェンを使用する最終市場は、スポーツ用品から航空宇宙、3D印刷に至るまで、さまざまな商業化の度合いがあります。グラフェンナノプレートレットメーカーのXGSciences（Lansing、Mich。、U.S。）のCEOであるPhilip Roseによると、グラフェンの市場は、特に複合材料業界ではまだ成熟しています。
「市場は時間とともに出現し、成長します」と彼は説明します。新素材の商品化は、「少量でのいくつかのアプリケーションから始まり、次に少量での多くのアプリケーションから始まります。そして、それらの数が中程度の量に成長し、次に少数が非常に大量に増加します。 [グラフェンを使用]、私たちはまだ複合空間で「少量のアプリケーションはほとんどない」段階にあります。そして、それはいくつかの理由である可能性があります：サプライチェーンの議論、有効性、または他の理由。それは成熟度の問題だと思います…そしてそれには時間と教育が必要です。」
ローズは、グラフェン強化複合材料の最初の主要な採用者としてスポーツ用品業界を指摘しています。 「[]スポーツ用品[市場]は、[グラフェンの]パフォーマンス属性だけでなく、マーケティング属性からも恩恵を受ける可能性があります」と彼は言います。 「スポーツ用品の世界では、誰もが最新かつ最高のものを望んでいます。」そのため、グラフェンが新しい「最新かつ最高の」素材になったとき、スポーツ用品メーカーは、フィールドホッケースティック、ゴルフボール、スキー、テニスラケットなどのハイエンド複合スポーツ用品機器でその価値をすぐにテストし始めました。 Barkanによると、複合スポーツ用の優れた製品でのグラフェンのいくつかの用途は、連続生産に引き上げられました。
「通常、スポーツ用品[材料を採用]した後に何が起こるか」とローズは続けます。「産業市場がそれを採用し始め、それはかなり広くなる可能性があります。」産業市場におけるグラフェンの普及は、複合材料に限定されない、と彼は述べています。XGSciencesの現在の顧客の多くは、包装の性能やペットボトルのリサイクル性を高めるためにグラフェンを使用しています。
グラフェン強化複合材料は、自動車業界でもいくつかの成功を収めています。グラフェンは、より少ない材料で強度と耐衝撃性を追加し、それによって部品の総重量を減らす機会を提供します。たとえば、XG Sciencesは、Ford Motor Co.（Dearborn、Mich。、US）と協力して、Ford F-150およびMustang用に製造されたコンポーネントの耐久性、騒音、振動、ハーシュネス（NVH）および重量を改善するグラフェン強化ポリウレタンフォームを開発しました。車両。さらに、高級スポーツカー会社のBriggs Automotive Co.（BAC、リバプール、英国）は、2019年8月に、 Mono R のすべてのボディパネルを発表しました。 シングルシータースーパーカーは、ヘイデールの機能化グラフェンを使用した100％グラフェン強化炭素繊維複合材料で製造されており、自動車業界でより多くの機会が得られる可能性があるとBarkan氏は述べています。
航空宇宙では、耐衝撃性と軽量化が重要です。航空宇宙市場は「大きな可能性を秘めているようです」とローズ氏は言います。「しかし、アプリケーションはまだかなりの量にまで増加していません。」グラフェンで強化された複合航空機コンポーネントの完全な認定はまだ達成されていませんが、商用航空宇宙の多くのデモンストレーター部品が発表されているか、開発中です。たとえば、23か国の150を超えるパートナー組織で構成される欧州連合が資金提供するコンソーシアムであるGraphene Flagshipは、2018年にエアバスA350用のグラフェン強化複合水平テールリーディングエッジの開発を発表しました。コンソーシアムのパートナーであるAirbus、Aernnova、Grupo Antolin-Ingenieriaは、デモンストレーターが機械的および熱的特性の向上を示し、必要な特性を維持しながら前縁をより薄く、より軽くすることができたと報告しました。グラフェンフラッグシップは、航空機の表面の除氷におけるグラフェンの使用、および自動車やバッテリーなどへの応用を検討しているプロジェクトの先頭に立っています。
電気伝導率は、航空宇宙用途におけるグラフェンのもう1つの潜在的な利点です。 2019年11月、ヘイデールは落雷保護のためにグラフェンで強化された一連のプリプレグを発売しました。同社は、機能化されたグラフェン強化材料が、構造コンポーネントの電気伝導率の向上や、電子アビオニクスシステムのエンクロージャーに適していると報告しました。
宇宙市場では、複合ラミネート内の微小亀裂の問題を軽減するグラフェンの傾向は、Infinite Composites Technology（ICT、タルサ、オクラホマ、米国）のフィラメントワインド、球状などの宇宙ロケット燃料および酸化剤の貯蔵用の複合圧力容器に適しています、今年初めに発表された全複合クライオタンク。
Barkanが見落としていると言う1つのアプリケーションは、複合工具でのグラフェンの使用です。グラフェンで強化された複合工具の利点には、より長持ちする工具とより良い熱分布が含まれると彼は言います。この最近の例は、SHD Composites Ltd.（SHD、Sleaford、UK）がComposite Tooling and Engineering Solutions Ltd.（CTES、Matlock、UK）およびApplied Graphene Materials（AGM、Redcar＆Cleveland）と共同で開発したプロトタイプツーリング材料です。 、 英国）。 AGMのグラフェンナノプレートレットによって強化された、デモンストレーターCFRP自動ファイバー配置（AFP）マンドレルツールは、低コストで高性能の航空宇宙部品ツールの可能性を示しました。チームは、材料の脱オートクレーブ（OOA）の処理や、熱可塑性複合アプリケーション用のプロトタイプツールなどの開発に取り組んでいます。
実験的に、Barkanは、グラフェンを複合風力タービンブレードの強化としてテストしていると述べています。このブレードの耐衝撃性の高い表面と軽量構造の必要性は、マトリックスにグラフェンを含めることで十分に機能します。スミス氏は、ヘイデール氏は、風力タービンのブレードに含まれるグラフェンが落雷から保護するために導電率を高める可能性もあると考えていると付け加えています。
完全な商品化に向けて
この「不思議な素材」の次は？ Barkanは、今後10年以内にグラフェンが完全に商業化されると予測しています。 「私たちは多くの前向きな勢いを持っています」とローズは言います。「私たちはまだ発見段階にありますが、それは意図的な設計と活動から始まります。これは自動車の世界では時間がかかり、より迅速にスポーツ用品のような市場…しかし、それはサプライチェーンの堅牢性と有効性に関する知識を提供し、自己増殖するようになります。」
「現在、すべてのセクターがグラフェンの使用を争っていると思います」とスミス氏は付け加えます。「大学のような企業や機関での膨大な研究のおかげで、グラフェンの使用方法と、それがどこでどのように改善されるかを学んだからです。マンチェスターのさまざまなアプリケーションを具体的に見てください。 …業界として、私たちは大規模な宇宙企業、大規模な航空宇宙企業、大規模な自動車企業と賢明な話し合いを行っています。そのため、複合材料でのグラフェンの使用は増えると思います。そうしない理由はありません。」
その間、知識のギャップを埋めるための研究が出現し続けています。たとえば、Graphene Councilは、Composites One（Arlington Heights、IL、US）、マンチェスター大学、Huntsman（The Woodlands、Texas、US）、Chromaflo（Ashtabula、Ohio、US）と協力して、さまざまなテストを行うプロジェクトを調整しています。一般的な樹脂システム内のグラフェンの形態。このプロジェクトでは、グラフェンナノプレートレット、酸化グラフェン、還元型酸化グラフェン、官能化グラフェンがそれぞれ共通の樹脂システム（ハンツマンのアラルダイトGY 282エポキシ樹脂、一般的な広く使用されている樹脂システムであるため選択）にそれぞれ1％ずつ追加されます。重量で、0.5重量％、および0.1重量％。 8社から14種類以上のサンプル材料を入手し、各材料システムをそれぞれ、樹脂はあるがグラフェンは含まない、グラフェンは繊維は含まない、樹脂はグラフェンとガラス繊維を含む、樹脂はグラフェンと炭素繊維を含む部品にします。 。テストには、耐衝撃性、引張強度、曲げ弾性率、層間せん断テストが含まれます、とBarkan氏は言います。
「まったく同じ樹脂システムとまったく同じテストを使用して、さまざまな企業のさまざまな種類のグラフェンを第三者が独立して直接比較するのは初めてのことです」とBarkan氏は言います。グラフェン評議会は、結果を公開する予定です。
「私は本当に人々に新鮮な目で[グラフェン]を見てもらうように勧めています」とBarkanは結論付けています。「品質が[10年前と比べて]異なっているからです。価格が違います。ハンドリング技術は高度です。ケーススタディを証明し、例を示します。商品化中です。そして、一見の価値があります。」
複合材料