10月13日，浙江寧波供電公司220千伏蟹浦變電站附近，工作人員正在給鐵塔涂刷防腐涂層。看似普通的一層薄薄涂料，卻包含了當(dāng)今世界最前沿的“黑科技”——石墨烯。
日前，寧波供電公司和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（下稱“中科院材料所”）成立聯(lián)合實驗室，共同探索研究石墨烯的奧秘，其中一項重要成果就是石墨烯基電力桿塔導(dǎo)電重防腐新型涂料。它的防腐性能超出傳統(tǒng)涂料至少兩倍，使桿塔的防護(hù)壽命達(dá)到10年以上，填補了國內(nèi)電網(wǎng)防腐涂料的技術(shù)空白。而這僅僅只是石墨烯應(yīng)用的冰山一角，它的神奇之處還遠(yuǎn)不止于此。
什么是石墨烯？
2010年的諾貝爾物理學(xué)獎將石墨烯帶入了人們的視野，獲獎?wù)哂鼜厮固卮髮W(xué)的安德烈˙海姆和康斯坦丁˙諾沃肖洛夫兩位教授，從石墨薄片中成功剝離出了石墨烯。
石墨烯非常薄，厚度只有一根頭發(fā)的20萬分之一，是目前已知最薄的一種材料。同時，石墨烯又非常硬，一片石墨烯就能承受相當(dāng)于一頭成年大象的重量，其硬度超過鉆石，比世界上最好的鋼鐵還要再硬上100倍，足以問鼎最堅硬材料。石墨烯還擁有驚人的柔軟性，可在不出現(xiàn)破損的情況下伸展20%以上。此外，石墨烯的導(dǎo)電性遠(yuǎn)高于銅，導(dǎo)熱性在地球上難有匹敵，幾乎完全透明，不親水也不親油，耐酸耐堿，化學(xué)穩(wěn)定性良好?？傊?，隱藏在鉛筆芯中的石墨烯有著數(shù)百種神奇的能力。
其實，擁有諸多特性的石墨烯化學(xué)結(jié)構(gòu)十分簡單，簡單到令人不可思議。一片石墨烯就是一層碳原子，它們按照六邊形緊密排布、相互連結(jié)，形成蜂巢圖案。要得到石墨烯似乎也不太難，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而成，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，石墨烯就出現(xiàn)了。
石墨烯能給我們帶來什么？
如果使用石墨烯作為原材料或輔助材料，很多科幻片中的場景將成為現(xiàn)實。我們不妨想象一下，用石墨烯做的手機可以隨意折疊，用石墨烯做的飛機、汽車又輕又堅固，石墨烯甚至可以為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來重大突破。
簡單卻又神奇，石墨烯的發(fā)現(xiàn)轟動了材料學(xué)界。石墨烯因高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的導(dǎo)電性、耐蝕性、高機械強度和良好的自潤滑性成為重要的結(jié)構(gòu)和功能新材料的增強體。隨著石墨烯的生產(chǎn)逐漸規(guī)模化及其質(zhì)量和層數(shù)可控性程度的提高，石墨烯復(fù)合材料的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。歐盟委員會將石墨烯列為僅有的兩個“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一，美國也將石墨烯視為同3D打印技術(shù)同等重要的支撐未來科技發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。目前，英、德、美、日等國已在石墨烯低成本、規(guī)?；G色制備及石墨烯增強復(fù)合材料和應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域取得了一定的研究成果，初步揭示了石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品性能、應(yīng)用功能的調(diào)控機制，初步實現(xiàn)了石墨烯增強復(fù)合材料在高頻電子、傳感器、柔性顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用。
我國在石墨烯領(lǐng)域研發(fā)起步較晚，但發(fā)展速度驚人，目前已成為石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最活躍的國家之一。近年來，以中科院材料所、北京航空材料研究院為代表的研究結(jié)構(gòu)已在石墨烯粉體低成本、規(guī)模化制備技術(shù)的研究上取得重要進(jìn)展，石墨烯成本已從最初的每克幾千元降到大批量生產(chǎn)時的每克幾元甚至低于1元。盡管尚未經(jīng)過產(chǎn)品均一、穩(wěn)定性等嚴(yán)格的考驗，但為其在下游的規(guī)模化應(yīng)用提供了極大可能。
近年來，國家電網(wǎng)公司大力推動新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)材料，新材料能進(jìn)一步提升電網(wǎng)長期運行的可靠性和安全性，降低電網(wǎng)建造和維護(hù)成本，同時還兼具傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能和特殊功能，滿足日益嚴(yán)苛的輸電需求。在石墨烯與電網(wǎng)材料的相關(guān)研究中，為了使防腐新材料成功“孵化”，寧波供電公司把握國內(nèi)石墨烯研究領(lǐng)軍機構(gòu)中科院材料所位于寧波的地緣優(yōu)勢，主動尋求合作，說明研究意向。在多次爭取、溝通之下，本著優(yōu)勢互補、資源共享、合作共贏的基本原則，寧波供電公司與中科院材料所積極建設(shè)寧波電網(wǎng)新材料聯(lián)合實驗室，為新材料、新技術(shù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
聯(lián)合實驗室是技術(shù)合作的聯(lián)合體，雙方共同研究開發(fā)電網(wǎng)設(shè)施、設(shè)備表面防護(hù)材料和高性能導(dǎo)電材料，加速科技成果的轉(zhuǎn)化，提升電網(wǎng)企業(yè)在新材料領(lǐng)域的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)表面工程技術(shù)和電網(wǎng)新材料在電力行業(yè)的示范應(yīng)用，實現(xiàn)共贏目標(biāo)。于是，雙方對石墨烯在電網(wǎng)材料上的研究、應(yīng)用開始步入深水區(qū)。
目前石墨烯應(yīng)用方面取得了什么成果？
“寧波沿海地區(qū)輸電線路附近化工廠數(shù)量多、空氣含硫廢氣含量高、濕潤海風(fēng)影響大，導(dǎo)致沿海輸電桿塔腐蝕情況較內(nèi)陸地區(qū)快3至5倍?！睂幉ü╇姽拘畔⑼ㄐ欧止究萍紝Ｂ毞皆戚x坦言，鐵塔防腐一直是寧波供電公司致力研究的一個問題。
目前，人們在防腐蝕方面的最新發(fā)現(xiàn)就是石墨烯。常用的聚合物涂層很容易被刮傷，降低了保護(hù)性能。而石墨烯做保護(hù)膜，能顯著延緩金屬的腐蝕速度，更加堅固抗損傷。基于石墨烯的這種特性，寧波供電公司把聯(lián)合研究重點放在了如何實現(xiàn)石墨烯在銅基體中的均勻分散和兩相界面的良好結(jié)合上，致力于研制兩種體系高性能石墨烯基重防腐涂層——高導(dǎo)熱石墨烯基重防腐涂層和石墨烯基導(dǎo)電涂層，實現(xiàn)沿海地區(qū)變電站變壓器、隔離開關(guān)、輸電塔架、變電站接地網(wǎng)等輸變電設(shè)施設(shè)備的長效防腐。
而將石墨烯材料與有機高分子防腐涂料結(jié)合起來，可獲得環(huán)保、低成本、高效、便于施工的重防腐材料與技術(shù)。在輸電設(shè)備中使用石墨烯基新型碳材料后，可平穩(wěn)提升線路輸電能力、保障輸電安全，顯著延長輸電塔架、線路、輸變電設(shè)備的服役壽命，將傳統(tǒng)鍍鋅層輸電塔架在海洋大氣區(qū)和工業(yè)區(qū)的防護(hù)壽命提高6年以上，減少維修檢修次數(shù)和維修頻率，確保輸電安全。目前石墨烯基電力桿塔導(dǎo)電重防腐新型涂料已經(jīng)研制成功，并在鎮(zhèn)海、北侖、鄞州等區(qū)域使用，效果良好。
“我們會繼續(xù)拓展、深入這方面研究。下一步，將重點研究石墨烯電網(wǎng)自清潔防結(jié)冰涂層材料及關(guān)鍵技術(shù)?！狈皆戚x拿出研究計劃表說。
每年冬季，我國南部省份容易發(fā)生低溫雨雪冰凍災(zāi)害，致使高壓輸電線路及絕緣子出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰、覆冰現(xiàn)象，影響輸電安全。從石墨烯入手，開展電力傳輸領(lǐng)域超疏水涂層防結(jié)/覆冰技術(shù)研究，并將其技術(shù)“嫁接”于輸電線路、鋼塔架及玻璃絕緣子產(chǎn)品上，進(jìn)一步開展其“自清潔防覆冰輸電線路”與“自清潔玻璃絕緣子技術(shù)”研發(fā)、工程應(yīng)用示范及產(chǎn)業(yè)化推廣，并形成高技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品，逐步推廣應(yīng)用電力傳輸領(lǐng)域，對增強國家電力系統(tǒng)安全，保障人民正常生活生產(chǎn)有著重要意義。
