膨脹石墨
關注創建者：琳泓comsol 創建時間：2020-07-14
膨脹石墨的視頻教程
004ProCAST從入門到精通--砂鑄鑄鐵
ProCAST入門到精通系列視頻有十八期，本期為其中一期“砂鑄鑄鐵”，視頻內容講解除了操作以外還介紹鑄鐵模擬原理，主要內容有： 1、鑄鐵模擬之石墨化特殊性 2、幾何處理及網格劃分 3、過濾網的處理與鑄鐵模擬邊界條件設置 4、運行參數講解（孕育方式設置、球化劑添加、孕育\球化衰退效果、石墨化膨脹設置、砂型剛度設置等） 5、結果觀察與分析 學習完該視頻，可以獨立完成ProCAST砂型鑄造鑄鐵件的模擬分析
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膨脹石墨的實例教程
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</div><p><img src="http://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"><img src="http://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/themes/default/images/spacer.gif"></p><p> 膨脹石墨作為制造柔性石墨的中間產品，是由天然鱗片石墨經氧化、酸化插層、水洗、干燥、高溫處理而得到的一種疏松多孔的蠕蟲狀物質，又名石墨蠕蟲。膨脹石墨不僅具有天然石墨本身的耐熱、耐蝕、導電、導熱、自潤滑性等優良特性，還具有天然石墨不具備的輕質、柔軟、可壓縮、可回彈等性能，因此，在密封領域，膨脹石墨材料具有比石棉、橡膠等材料更優異的性能和用途。用膨脹石墨制成的各種帶、板、片材已廣泛用作石油、化工、電力、冶金、機械、宇航、核工業等行業領域。例如，用膨脹石墨制成的柔性石墨制品被譽為世界“密封之王”，在機械密封領域具有極其重要的地位；膨脹石墨在環保領域可作為吸油材料，用于廢油回收以及廢水治理中的微生物載體；由膨脹石墨制備的石墨散熱板成為取代銅、鋁等傳統金屬材料的新一代散熱基材。此外，膨脹石墨還可用作醫療敷料、催化劑、固定化載體及固體電解液等。
展開 （一）雙極板材料的類型及研究進展
目前國內外對PEMFC陽極板材料的研究主要集中在石墨、金屬、聚合物復合材料方面。在國際市場上，歐美石墨、金屬雙極板整體較強，美、英復合材料雙極板處于世界先進水平。國家內部石墨雙極板比較成熟，個別制造商生產的石墨雙極板部分性能已達到國際先進水平。金屬和復合材料兩極化在我國研究比較晚，但技術仍有較大的提升空間。
一、石墨雙極板
石墨是最早出現和最常用的雙極板材料。
雙極板的成本、機械性能、透氣性、防腐性能、導電性能和表面接觸電阻等被用作雙極板核心指標有嚴格的要求，因此石墨雙極板的原料選擇和工藝加工工藝會影響滿足的可能性。最終目標市場的需求。
1、原材料
根據工藝需求，石墨可以制成粉末、線圈、板材和乳液，但原材料主要分為三類。
石墨粉：化學反應非常敏感的物質，在不同的環境下，他的電阻率都在變化，錫墨取決于絕緣能否保證物體內石墨粉末不斷。耐高溫、化學穩定性、可塑性、耐熱性都很好。
膨脹石墨：天然石墨鱗片通過插入、水洗、干燥、高溫膨脹得到的疏松多孔蠕蟲樣物質。除了天然石墨本身的優秀性能外，還具有天然石墨所無法看到的柔軟性、壓縮彈性、吸附性和耐受性輻射性等特性，膨脹石墨遇到高溫，瞬間體積可膨脹150~300倍。
鱗片石墨：結晶完整，是天然賢靜質石墨，具有魚人形狀、六角晶界、層狀結構、薄韌性。性質好，物化性能好，導熱性、導電性、抗熱沖擊性、耐蝕性等優秀。
2、生產工藝
石墨雙極板的生產加工主要分為兩類。一個是膨脹石墨復合材料的板材成形工藝，另一個是膨脹石墨復合材料的板材成形工藝類是石墨粉末和樹脂混合材料的成型/注射成型工藝。引用加拿大AFCC 2017年公開的關于這兩種流程類型的分析報告。
第一類：膨脹石墨板經過光、成型、去除后滲透樹脂、硫化、粘合、密封硫化工藝；最后形成雙極板產品。
展開 圖5 SC-NS系列材料的雙離子全電池性能
a) 軟碳/膨脹石墨雙離子全電池的工作原理示意圖；
b) 軟碳/膨脹石墨雙離子全電池的倍率性能；
c) 軟碳/膨脹石墨雙離子全電池的循環性能；
d) 軟碳/膨脹石墨雙離子全電池的充-放電曲線。
圖6 SC-NS系列材料的儲鉀性能
a) 掃速0.1 mV·s-1時SC-NS電極的CV曲線；
b) SC-NS和SC-MR電極的倍率性能；
c) SC-NS電極在不同倍率下相應的充-放電曲線。
d) SC-NS和SC-MR電極在300 mA·g-1的電流密度下的循環穩定性。
【小結】
綜上所述，作者通過簡便、易于擴大的微波輔助剝層工藝成功制備了微孔軟碳多孔納米片電極材料(SC-NS)。結構分析表明，剝層后表面積從19.1增加到471.2 m2·g-1，微孔體積增加超過100倍，石墨烯層邊緣上的有利缺陷得到了顯著增加。作者通過動力學分析和原位XRD測試驗證了電容主導的鈉離子存儲機制。由于更好的電子/離子動力學和額外的存儲位點，SC-NS具有高比容量(232mAh·g-1)和在1000 mA·g-1電流密度下103 mAh·g-1的優異倍率容量。此外，SC-NS還可作為鉀離子電池(可逆容量為291 mAh·g-1、電流密度2400 mA·g-1下出色的倍率容量117 mAh·g-1)和鈉離子基全碳雙離子全電池(電池級容量為61 mAh·g-1，平均電壓為4.2 V)的高性能負極。
展開 在這些添加劑中，膨脹石墨(EG)是最有前途的。通過化學插層和熱剝離制備的EG具有多孔和蠕蟲狀的形態，在導熱路徑構建和防漏封裝方面效果優異。但是EG/PCM材料的機械強度脆弱，此外EG一旦與鋰離子電池的正負極接觸，可能會使電池處于短路的危險之中。因此，為了在電池熱管理中得到更好、更安全的應用，EG/PCM的機械性能和介電性能有待進一步提高。
02成果掠影
近期，華南理工大學的張正國教授團隊針對用于電動汽車熱管理的膨脹石墨(EG)基復合相變材料(PCMs)的高導電性和較差的適應性問題取得新的進展。該團隊合成了一種具有高電阻率和柔性的新型復合相變材料(CPCM)，用于廣泛的電池熱管理。天然橡膠在膨脹石墨和OP44E PCM之間形成了柔性絕緣網絡。CPCM具有較高的儲能密度(156.5 J/g)、較高的電阻率(2700Ω?cm)和優異的導熱系數(3.4 W/mK)。此外，CPCM的柔韌性和形狀適應性可以在室溫下實現，特別是在發生相變時得到提升。由此產生的CPCM通過在3℃高倍率放電循環下將電池組的工作溫度保持在45℃以內，溫差保持在2℃以內，顯示出高效率和熱管理的可靠性。該工作為高效熱管理相關應用提供了一個有希望的選擇。
展開 基于comsol的鋰電池組電化學耦合風冷相變分析 ￥2500
</p><p>滿足上述要求的材料體系并不多，其中石蠟-膨脹石墨是當前研究較多的一種。</p><p>4.2 石蠟-膨脹石墨的應用</p><p>相變材料在鋰電池熱管理系統中的應用，最早可以追溯到2004年，第一次應用于電動踏板車的溫控系統。此后，石蠟-石墨復合材料，石蠟-膨脹石墨復合材料逐漸被應用于鋰電池熱管理系統。</p><p>根據研究結果顯示，石蠟-膨脹石墨復合相變材料，可以將系統溫差降低至0.2攝氏度（沒有提供電池組的詳細參數，工況電流大小、電池型號等信息）。同時，研究還證明，相變材料，對于抑制熱失控的蔓延有良好效果。</p><p>石蠟-膨脹石墨復合材料，石蠟作為相變材料，負責熱量的吸收和儲存，實現溫控功能。石墨，具備微觀多孔結構。當石蠟相轉變成液態，石墨起到完美的吸附作用，避免材料出現液體狀態。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/201910/imgs/770d065aea014e13acf0c320c261db55.jpeg"></p><p>上圖為一個研究案例中，軟包電池之間夾層放置相變材料的實驗，兩側電芯的溫升明顯高于中間電芯。結果表明，在相變溫度以下，相變材料散熱能力明顯好于空氣散熱，夾層越厚，潛熱越多，降溫效果越好。</p><p>總結下來，鋰電池的熱量有四個去處：空氣散熱，相變材料恒溫吸收潛熱，相變材料升溫吸熱，電芯自身升溫吸熱。</p><p>當前兩種方式無法吸收全部的電池產熱時，相變材料和電芯一起，溫度升高。</p><p>4.3 復合溫控策略</p><p>相變材料可以快速的吸收電芯產生的熱量，在一定范圍內起到溫度調節的作用，不需要將熱量傳遞到系統以外。但當電池發熱功率過大，發熱總量過大時，相變材料無法吸收全部熱量。當材料相變過程全部結束，電池產熱還在源源不斷的傳遞過來，則材料只能在相變溫度以上繼續升溫。
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關鍵工藝特點：
兩次人工時效處理：鑄造后經過600-700℃的退火處理，或長達2-3年的自然時效，徹和底消除鑄件內應力，確保長期使用不變形-5
刮研工藝：0級、1級、2級精度平臺必和須采用人工刮研，在25mm×25mm范圍內要求接觸點數達到20-25點-8-9
鑄造方式：多采用樹脂砂鑄造，砂型剛度好，可利用石墨化膨脹消除縮孔缺陷-1
鑄鐵試驗平板結構特點
鑄鐵試驗平板的工作面外形多樣
膨脹石墨也被用于與氧化石墨烯結合，以提高導熱性和電磁干擾屏蔽性能。最近，如圖4(a-f)所示，石墨烯和碳納米管的協同效應的κ值為1154 W/mk，電磁干擾屏蔽性能為~50 dB。圖4(gl)展示了石墨烯在碳納米管紗線薄膜上的改性噴涂涂層，據報道其κ值為1 056 W/mk。
02
成果掠影
近期，河北工業大學孔祥飛教授團隊以石蠟（PA）作為相變材料，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）作為柔性支撐材料，氮化鋁（ALN）作為主要電絕緣材料，膨脹石墨（EG）作為主要導熱增強材料，成功制備出具有增強的電絕緣性能和寬溫域（25℃至60℃）的新型熱致柔性復合相變材料。
近日，福州大學鄭玉嬰教授、施永乾等研究人員通過冷凍干燥法和靜電吸附阻燃劑法制備了具有防火安全性和耐壓性能的PVA/可膨脹氧化石墨烯（EGO）/層狀雙氫氧化物（LDHs）（PGL）氣凝膠。氣凝膠中的冰晶升華后形成大量樹狀孔道結構。同時，EGO和LDHs的復配使PGL氣凝膠具有6.0917 MPa的高抗壓強度（80%應變時）、19.16 m2/s2的高比模量和0.059 g/cm3的超低密度。
膨脹石墨(EG)是一種剝離形式的石墨，厚度為20-100nm。膨脹石墨填充復合材料的值取決于EG的剝離程度、在基體中的分散程度和長寬比(圖9c-e)。Kim等人設計并開發了一種誘導和控制EG膨脹程度的處理方法，即電感耦合等離子體(ICP)，進一步研究了EG體積膨脹與復合材料的容積值之間的關系。結果表明，在相同填充量下，體積膨脹率較高的EG具有較高的導熱系數增強。
特別是，膨脹石墨(EG)和銀納米粒子(AgNPs)組裝成HNT (HNT@AP)，發揮協同作用，構建互連的熱網絡。結果表明：當HNT@AP含量為40%時，導熱系數提高到1.15 W/（mK），相變潛熱保持在103.65 J/g；此外，設計了具有PEG/EG/HNT@AP和PEG/EG/ER的電池模塊，并分別在充放電循環過程中進行了測量。
以及利用氧化石墨烯/膨脹石墨復合制備了具有高導熱性的多層電磁干擾屏蔽柔性薄膜。根據其他研究結果表明，通過在BNNS之間建立橋梁來提高復合材料的導熱性仍然是一個挑戰。
02
成果掠影
近期，天津工業大學的范杰教授聯合中原工學院的何建新教授在制備柔性高導熱納米復合材料取得新進展。
02成果掠影
近期，華南理工大學的張正國教授團隊針對用于電動汽車熱管理的膨脹石墨(EG)基復合相變材料(PCMs)的高導電性和較差的適應性問題取得新的進展。該團隊合成了一種具有高電阻率和柔性的新型復合相變材料(CPCM)，用于廣泛的電池熱管理。天然橡膠在膨脹石墨和OP44E PCM之間形成了柔性絕緣網絡。
為提高了相變材料的導熱系數應進一步提高冷卻效果，一般來說導熱性能通過加入高導電性熱添加劑，如金屬粉末、碳納米管(CN)、石墨烯、氮化鋁(AlN)和膨脹石墨(EG)來優化。但是當導熱填料粉末作為導熱促進劑添加到PCM中，這些小顆粒會聚集在一起形成更大的團簇，這對形成連續換熱網絡有負面影響將限制優化熱導率。
④LET 值越高，鐵水形核潛力越高，同等條件下鑄件白口傾向越小，石墨球數越多；LET-ST 值為石墨析出時間，在生產厚大件過程中，一般要求這個值越大越好，說明在整個凝固過程中都有石墨析出，有利于利用石墨自膨脹效果抵消部分收縮；G1 區間為鐵水奧氏體析出區間，G1 越大說明鐵水縮松縮孔傾向越大。影響 G1 值為兩個方面，一方面是鐵水的孕育效果和形核能力，另一方面是鐵水的碳當量。
