【专业讲堂】一文简要了解欧盟石墨烯旗舰项目及其最新进展
什么是石墨烯旗舰项目？
石墨烯是一种由碳原子构成的六方晶格构成的二维原子晶体，是迄今为止已知的最坚固和最轻的材料。鉴于其多功能性，欧盟委员会启动了石墨烯旗舰项目，并将其作为首个从实验室到众多行业认可石墨烯的技术旗舰。
石墨烯旗舰项目（Graphene Flagship Project）由欧洲委员会资助，十年（2013-2023年）的总预算为10亿欧元，该项目协调了21个国家/地区的145个学术和工业研究小组，目前正在研究石墨烯以促进航空业的发展。
石墨烯旗舰项目与航空业
航空业一直在寻求减少地面维护时间或延迟时间，同时仍将安全放在第一位。2018年，全球维护、维修和大修费用达到690亿美元，占航空公司运营成本的9％。根据2019年国家航空运输协会预测，2028年航空业维护费用将达到1030亿美元。
在低温条件下，由于冰冻的污染物阻塞了控制表面，使它们无法正常运行，因此除冰成为一项具有挑战性和必不可少的安全方面。小型至大型私人飞机除冰液的成本在1,000-10,000欧元之间。快速除冰所需的时间、设施、车辆和人员增加了本来就很高的运营成本。
飞机材料的历史
1903年，莱特兄弟（Wright brothers）驾驶了第一架由铝、木头和钢制成的机动飞机。从那时起，飞机材料已经走了很长一段路。飞机构造为材料如金属设计成能承受乘客和货物的负荷。
在1930年代中期，尽管发现了腐蚀和金属疲劳问题，但还是引入了全金属设计原理，使其成为航空业的主要材料。第二次世界大战，金属的短缺刺激了使用的塑料中的一些可替换零件，因为它们表现出了可承受恶劣化学环境的能力。
如今轻量化、更省油的塑料已成为电绝缘体和某些机械部件的潮流材料。高速航空需要高强度和耐热性，从而导致了先进的碳纤维复合材料、钛铝合金和陶瓷纤维增强钛合金的发展。
航空业开始研究各种用于纤维增强的树脂基体，其中包括聚酯，乙烯基酯和环氧树脂，而增强纤维大多为玻璃纤维和碳纤维。目前空中客车A350中碳纤维增强聚合物（CFRP）占比高达52%。碳纤维复合材料密度仅为传统铝密度的60％，可减轻20％的重量并减少燃料消耗。
尽管在空中客车公司和波音公司中普遍使用碳纤维复合材料，但石墨烯在该行业中的功能优势已得到广泛认可，并且是航空业当前关注的焦点。
航空业中的石墨烯材料
通过对石墨烯进行化学改性，可以使其适用于广泛的应用。根据石墨烯旗舰项目，2016年初在英国范堡罗国际航空展上测试并成功飞行了世界上第一架带有石墨烯蒙皮机翼的'Prospero'飞机。
曼彻斯特大学、中央兰开夏大学和包括Haydale Composite Solutions在内的几家中小企业之间的合资企业，为研究石墨烯材料在减阻、热管理和潜在的雷击防护方面的影响提供了新的机遇。
石墨烯旗舰项目与欧洲航天局（ESA）合作的另一项引人入胜的举措已评估了石墨烯材料在太空应用中的使用。2017年，成功地测试了石墨烯来提高无重力条件下的热交换器的效率，以控制温度差。石墨烯材料的电导率和导热率比硅诱导更快的电子流动，从而改善了电子单元之间的热传递。
基于石墨烯的热电冰保护系统
GICE（2020-2023）是最新的项目之一，由石墨烯旗舰项目资助并得到空中客车公司的支持，旨在开发基于石墨烯的热电冰保护系统，以使飞机零件保持无冰状态，而不影响空气动力学特性。
空中客车公司零部件供应商的主要工业合作伙伴Sonaca，将基于石墨烯的防冰系统商业化实现技术就绪等级6。该项目的成功完成将提供一种创新的除冰系统，对航空业在经济和环境方面都有利。
当前广泛使用的除冰系统要求机场工作人员向飞机上喷洒乙二醇或丙二醇并与水混合，直到污染物被完全清除为止。而正在研究的其他替代该系统的材料是炭黑、碳粗纱或碳纳米管。然而，石墨烯作为导电材料的普及已经开始了该领域的探索。
如今，许多研究人员正在开发一种可靠且廉价的基于石墨烯的防冰系统。GICE项目旨在进一步利用电流将其转化为热量并融化冰块，并对该技术进行商业化。
石墨烯在航空领域的未来
航空工业中通过添加石墨烯材料，结果显示可改善机械性能，同时节省了大量燃料，减少了维护时间并减少了温室气体排放。
石墨烯旗舰项目已广泛涵盖了可以将石墨烯应用于航空业的可能性。到目前为止，先进的技术已证明石墨烯将使航空业在未来数十年内变得更安全、更环保、更具经济吸引力。