自從在曼徹斯特大學工作的俄羅斯科學家發現石墨烯以來，石墨烯在15年間產生了顯著的影響。它被發現六年后，Andrei Geim和Konstantin Novoselov因他們的工作獲得了諾貝爾物理獎，“石墨烯”這個詞已經進入了公眾意識。

石墨烯就像金剛石、石墨、富勒烯和碳納米管一樣，是碳的同素異形體。在石墨烯中，碳原子排列成二維單層六邊形晶格。它們具有類似于鐵絲網的平面結構。它的強度是鋼的200倍，而且具有出色的隔音性能。

潛在應用的清單是巨大的，從油漆和油墨到觸摸屏甚至鞋子。福特新興材料集團的科學家們想知道汽車行業是否可以利用其不尋常的特性。

該公司多年來一直試圖將石墨烯加入硬質塑料中，使其更堅固，更堅硬。目標是替換掉汽車中的一些金屬部件。但是，根據該公司新興材料的高級技術負責人Debbie Mielewski的說法，這些嘗試都沒有成功。 “我們甚至無法將其放進擠出機，”她說。

偶然機遇

幾乎是出于挫敗感，他們在聚氨酯泡沫配方中嘗試了它，并且很快獲得了成功。 添加石墨烯相當簡單，因為它包含在配方的多元醇組分中。

“在一件事情上如此努力地掙扎是一件很有趣的事情，然后幾乎是出于挫敗感，在聚氨酯泡沫上嘗試并取得了成功，”她說。

福特與一級供應商Eagle Industries和石墨烯專家XG Sciences密切合作，優化泡沫的性能。 “我們需要修改石墨烯，并確保它具有成本效益，”Mielewski說。

“我們在這里進行了大部分的泡沫實驗，因為我們與密歇根州立大學建立了合作關系。Larry Drzal博士多年來一直在研究其他納米材料，XG是他的子公司之一。沒有太多的研究設施可以做聚氨酯配方，也沒有設備做硬塑料。是硬塑料帶來的挫折讓我們在泡沫上做嘗試。”

合適的等級

根據XG的首席商務官Bamidele Ali的說法，該公司創造了大約16或17種不同等級的石墨烯納米片。 “這些能夠賦予聚氨酯系統多種機械性能，電性能和熱性能，”他說。 “福特采用了我們的石墨烯納米片之一，這對于機械強度和導熱性非常好。我們幫助他們為引擎蓋下部件配制新的聚氨酯泡沫。”

“它提供了更好的隔音效果，發動機可以承受更高的溫度，保持更好的結構。”

XG有兩種不同的制造石墨烯顆粒的工藝，一種是基于化學的，另一種是機械的。 “我們與福特一起使用的石墨烯是經過機械加工的，” Bamidele Ali說。 “它是一種高表面積的石墨烯納米粒子，在低多元醇含量下能很好地分散在多元醇中。通常，我們的機械系統生產150-800m2 / g的石墨烯納米片。”

盡管石墨烯在澆注之前被摻入到泡沫的多元醇組分中，但它并不只是把石墨烯顆粒攪拌到多元醇中那么簡單。

“你不能只拿石墨烯，將其放入系統，并期望它能夠發揮作用，”他說。 “石墨烯的質量和成分，包括其形態和表面能，都很重要。我們選擇哪種石墨烯與特定的多元醇結合得最好。”

他補充說，正確地將石墨烯混合到多元醇中是非常重要的。 “能夠很好地分散石墨烯，并確保系統隨著時間的推移而保持能力取決于石墨烯使其分散的能量，”他說。 “沒有分散，沒有性能表現。”

分散和分配

雖然用于分散到福特泡沫中的方法是專有的，但Bamidele Ali說，該公司有六到七種方法用于將石墨烯分散到不同的系統中。

“這取決于能量和成分，”他說。 “這是一個有點復雜的算法，包括起始成分，石墨烯的成分，溫度和環境。有時 - 很少 - 我們只是混合或攪拌，但我們也必須使用復雜的機械系統，并且有時相當復雜的額外化學反應，以實現它。”

價格昂貴

石墨烯非常昂貴。如果它所含的含量太高，則會使配方不經濟。

“我們開始減少泡沫中石墨烯的含量，并發現即使在聚氨酯泡沫中使用極少量的石墨烯，其性能也可以大大提高，”Mielewski說。 “低于0.5%的含量使噪音傳播減少了17%，機械性能提高了20%，耐熱性能提高了30%。所有這些都非常適合引擎蓋下的應用，我們有嘈雜的泵和發動機，以及高熱量。“

提交了一項專利后，發現這種低含量的石墨烯導致了這些性能的大幅提升。這種泡沫現在正在進入生產模式。

起初，它被用于福特F150皮卡車(福特F系列車型已成為美國30年來最暢銷的車型)和野馬。 Mielewski說，其他計劃將在2018年底結束。

她說，事實上它在如此低的負載下運作良好至關重要。 “我們多年來一直與硬塑料中的其他納米材料合作，并意識到，如果你沒有以極小的用量帶來很大的影響，那么你就無法承擔性能改進付出的費用，”她說。

“我們在泡沫塑料中的添加比例為1.5%，并認為我們最好看到我們用較小的金額獲得了哪些改進，因為這是商業案例所允許的。”

漸進而非線性

石墨烯含量越高，改善效果就越明顯，但增加的幅度不是線性的。”在這個水平上，你真的得到了最多的回報，不到0.5%。” Mielewski說。但他們也發現，石墨烯使泡沫成核，使聚氨酯泡沫中的結構更加一致，氣泡更小。這也有助于提高機械性能。

她說，石墨烯增強泡沫還有其他的好處。由于成核，泡沫的重量要小一點，所以我們只需要少量的聚氨酯。這有助于平衡石墨烯的成本。這對每個人來說都是一場雙贏的勝利：消費者得到了一種更安靜的汽車，它在發動機罩泡沫下具有更高的耐熱性，在福特公司的研究中，我們找到了一種創造和實施新技術的方法。

Bamidele Ali說，泡沫在罩殼產品下的性能只是石墨烯帶給這種系統的一小部分。

“石墨烯可以影響產品的輕量化和沖擊強度，”他說。(它可以提高)壓縮強度20-30%，并在系統中提供更好的磨損性能。”

他補充說，雖然在聚氨酯體系中有點困難，但在更硬的泡沫結構中，石墨烯可以賦予一些阻隔性能。它還可以防止紫外線和增加吸聲。此外，由于更大的熱導率，循環時間可能會下降。

他說：“石墨烯在極低的負載水平下所具有的特性使加工速度更快，加熱和冷卻速度更快，因為它是一種良好的熱導體。”

“我們的客戶在多個系統中看到的加工效率和節能并不是我們經常討論的問題，但通常它會加快制造過程，這在聚氨酯中有著廣泛的用途。”

在引擎蓋下

“我們首先將其用到了燃料導軌蓋和發動機蓋。然后是車輛引擎蓋下大約10個部件上。”Mielewski說。

她相信它在車輛的其他地方也有潛力。 “壓縮永久變形的改善可能對第三排的折疊座椅很有用，”她說。 “這些被折疊很長一段時間，但泡沫仍然需要反彈。石墨烯泡沫可用于該應用，真正為客戶帶來好處。”

而且其他地方也引起了很大的興趣。有人打電話給Mielewski詢問是否有助于讓客艙更安靜。

“一些公司打電話來，提到車內的車頂襯里的泡沫。這的確可以很好地降低車內的噪音。所以，我認為我們也將開始關注其他應用。只要我們能降低成本，大門就敞開著。”

降低噪音

還有一個完整的遷移計劃，可以將它移植到其他模型中。”她說：“一旦我們到了自動駕駛汽車的時候，人們就不用再開車了，他們會希望在車內有一個安靜的環境來小睡或工作。這將是未來真正的優勢。”

從石墨烯泡沫中受益的汽車的其他部分是頭枕-用來減少噪音，以及其他熱管理很重要的區域。

Mielewski說：“我們將尋找哪里太熱，哪里需要屏蔽熱量，石墨烯是一個很好的解決方案。”

來源：CPRJ中國塑料橡膠