汽車塗料與石墨烯合作幫雷達除冰

2014/01/03 |

科技能源

| 標籤：

電子顯微鏡下，石墨烯奈米帶嵌入聚胺酯塗料，比例尺為1μm。由萊斯大學與Credit: The Tour Group

電子顯微鏡下，石墨烯奈米帶嵌入聚胺酯塗料，比例尺為1μm。由萊斯大學與洛克西德‧馬丁公司共同開發。Credit: The Tour Group

美國萊斯大學的化學家James Tour與軍事用品公司洛克西德‧馬丁合作開發出一種塗料，可以幫海洋和空用雷達天線罩除冰，並且不會影響無線電波接收，穿透率很高。文章於12月11號刊載於美國化學學會期刊Applied Materials and Interfaces。

所謂的雷達天線罩，可以幫雷達裝置擋住凍雨(freezing rain)和冰，不過在天寒地凍的天氣中，這些雷達天線罩也需要除冰，免得損壞。目前多是用金屬支架支撐和加熱氧化鋁陶瓷，其缺點是重量很重，金屬部分也要離裝置很遠，避免干擾雷達。

photo credit: Arenamontanus via photopin cc

photo credit: Arenamontanus via flickr cc

「而且氧化鋁陶瓷非常難加熱，需要耗很多能量，因為導熱很差。」Tour表示。而只有幾個原子厚的石墨烯則能夠導電，還很薄讓無線電波可以輕易通過。若是將能夠除冰的材料噴在石墨烯奈米帶上，除冰裝置就能更輕更便宜更有效。

「當洛克西德‧馬丁公司的工程師Vladimir Volman聽到我的博士生Yu Zhu的報告，講述如何噴塗製造奈米帶薄層，他馬上就知道這是他需要的東西。因為Volman計算過只要用小於100奈米厚的石墨烯薄層，就可以因電阻加熱達到除冰效果。」

未加工的石墨烯原材有彈道電子傳導的特性(Ballistic onduction)，電子幾乎不會散射，電阻很小，因此沒有辦法產生足夠的熱量融冰，但是Tour團隊從多層奈米碳管切割出來的石墨烯奈米帶(graphene nanoribbons, GNRs，)經過化學反應處理後可以產生足夠熱量融冰。當石墨烯奈米帶平均地散佈在固體表面時，各個奈米帶會互相重疊，這樣當電子在奈米帶間移動的時候，就會因電阻而產生熱量。而電流通過副產出的熱量多寡，只要調整塗層的厚度就可以調整控制。

在一開始的實驗中，Zhu和Volman所帶領的團隊，是用水溶性的石墨烯奈米帶噴塗在物體表面。「他們跟我說運作的效果很好，但是當我們一用手指摸，就會剝離沾到我們手上。」Tour表示。他在休士頓的一家汽車配件店找到了解決方法：「我買了聚胺酯汽車烤漆，因為它非常耐用，可以在黏著汽車上好幾年都不會掉。所以我們就將聚胺酯與石磨烯奈米帶結合在一起，結果既能生熱融冰，也不會輕易從物體表面剝離。」

在實驗室中做出約 0.18 平方公尺的樣品，其基底是有彈性的聚亞醯胺，噴塗上聚胺酯放乾後，再用加熱板加熱軟化塗料，再用噴槍噴上石墨烯奈米帶薄層。如此一來，乾燥後的石磨烯奈米帶就會嵌入塗料，極難移除，不會再動不動就掉下來。Tour說他們的團隊也有嘗試過先噴石磨烯奈米帶再噴聚胺酯，效果也不錯。