给装备披上石墨烯防腐外衣

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王立平研究员在实验站查看了涂层防腐的实验结果，并向记者介绍了石墨烯防腐涂层的特点。记者严慧敏照片

中国海上风电场风力发电机塔架成功采用石墨烯重防腐涂层。(数据图片)

无论是被风浪撞的海船、跨海大桥、空台高悬挂的卫星，还是空站，都容易被腐蚀。如果他们想在不怕腐蚀的情况下下海，就必须穿上防腐衣。对于任何工业材料来说，腐蚀都是一种无声的破坏者——中国每年的腐蚀总成本高达2万亿元

现在，中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称“中国科学院宁波材料研究所”)的科学家们已经制造出了世界上最好、最经济的防腐涂层。想看看石墨烯是如何成为腐蚀斗士的吗？请跟随《经济日报》记者参观中国科学院宁波材料科学研究所海洋环境材料腐蚀实验场。

伟大的防腐装甲

目前，世界上最好的重防腐涂料的盐雾寿命只有3000小时左右，而中国自主研发的新型石墨烯改性重防腐涂料可以使这一耐受时间超过6000小时

在中国科学院西沙海洋科学综合实验站小楼的屋顶上，有几排架子，每排架子都整齐地斜铺着用螺钉固定的矩形钢板。这些薄片中的一些有很深的锈层，看不到背景颜色，而其他的像新的一样明亮。这就是“裸奔”的区别，穿着普通的防锈服和石墨烯防锈服。

“这是船用高强度钢，用于卫星。这完全被低碳钢腐蚀了……”中国科学院宁波材料研究所研究员王立平说，这是一个高盐雾环境下的暴露试验场，有1000多个样品。有8大类30多种材料，涵盖块体材料、不同薄膜材料、重防腐材料和空.航天通过曝光实验可以发现材料的缺陷，通过反馈参数给R&D团队可以调整制造工艺。

“从实验中可以清楚地看到，使用我们的石墨烯改性重防腐涂层的材料具有很强的耐腐蚀性，在这种恶劣的腐蚀环境中暴露六个月后，它仍然完好如新。许多未经防腐处理的模型材料在一个月内几乎完全腐蚀。”王立平说，无处不在的腐蚀性介质(水、氯离子、氧气等。)在热带海洋中是钢铁不可抗拒的超级杀手，世界上最好的重防腐涂料的盐雾寿命只有3000小时左右。然而，由中国科学院宁波材料科学研究所王立平研究员、吴学东研究员和薛群基院士联合研制的新型石墨烯改性重防腐涂料具有自主知识产权，可使钢铁材料在中性盐雾试验中耐受6000小时以上。

石墨烯是世界上已知的最薄的材料，只有一个原子厚，相当于一根头发厚度的20万倍。一克石墨烯可以覆盖一个足球场，其强度是钢的200倍。这种材料在2004年首次被制造出来后，很快成为一种受欢迎的材料，并得到了业界的认可，因此仅仅六年后，即2010年，诺贝尔奖被授予石墨烯生产商安德烈。盖姆和康斯坦丁？诺沃塞洛斯。

石墨烯因其优异的性能和众多的功能，被广泛应用于锂电子电池、超级电容器、导电墨水、触摸屏、软电子等领域。其中，防腐涂料是市场前景广阔的应用领域之一。

为什么石墨烯能抗腐蚀？作为自然界中最薄的二维纳米材料，石墨烯具有优异的阻隔和屏蔽性能。石墨烯能有效阻止水分子和氯离子的通过，大大降低金属基体的腐蚀速率。通过引入石墨烯，可以提高涂层的机械性能，如附着力、抗冲击性、屏蔽和阻隔性能，特别是在热带海洋大气环境中使用的涂层的抗腐蚀介质渗透能力可以得到显著提高。

病人研究小组

很难开发出具有实用价值的高性能石墨烯改性重防腐涂料。由60人组成的R&D团队在过去10年里只做了一件事——开发石墨烯涂层

近年来，利用石墨烯的迷宫阻隔效应来提高有机涂层的抗渗透性和耐腐蚀性已成为国内外防腐涂层领域的研究热点。然而，很难开发出具有实用价值的高性能石墨烯改性重防腐涂料。主要原因是尚未形成完善的涂层体系；缺乏全面的绩效评估和实际工作条件下的长期服务评估；缺乏详细的专用数据库和相关涂层标准；石墨烯的成本相对较高。要解决这些问题，有必要弄清石墨烯防腐的微观物理化学机理，突破石墨烯的稳定分散、与树脂的相容性、配方和支撑体系的优化等一系列关键技术。

中国科学院宁波材料研究所的一个约60人的团队在过去10年里只做了一件事，那就是开发石墨烯涂层。他们成功开发了八大系列石墨烯改性的新型防腐涂料，具有自主知识产权、优异的力学性能、长期防腐和特殊功能:为满足不同的应用要求，它们包括沿海储油罐重防腐涂料、导静电防腐涂料、电网塔防腐涂料、光伏塔防腐涂料、耐海水防腐涂料和航天国防特种涂料。

“石墨烯的理论厚度只有0.335纳米，其阻隔性能非常好。它几乎可以阻挡任何离子，如水、氧和钠离子。它可以大大减少涂层的厚度，并显著提高涂层的抗腐蚀寿命。”王立平表示，目前市场上使用的重防腐涂料主要是富锌底漆，锌含量在60%-80%之间，不仅保护寿命短，而且使用大量的锌，既浪费资源，又不环保。然而，中国科学院宁波材料研究所开发的各种石墨烯改性重防腐涂料的锌含量都低于30%甚至更低，但其性能至少提高了2倍。

目前，石墨烯改性新型防腐涂层技术已通过中国腐蚀与防护学会的鉴定，其关键技术指标“盐雾寿命”超过6000小时，是世界上最好的重防腐涂层盐雾寿命的两倍。相关研究成果不仅申请了78项国家发明专利，还申请了2项国际专利，授权了1项美国专利。

王立平说:“新材料的研究需要积累长期的实验数据。我们的海洋环境材料腐蚀实验必须连续进行至少10年。目前，文昌实验站已经做了一年半，西沙实验站也做了半年，今后还将继续坚持。”在他看来，虽然加速实验已经在实验室中完成，但数据可能不符合实际情况。只有暴露在西沙站这样真正的浓盐雾环境中，才能揭示新材料的技术是否符合标准，能否真正经受住热带海洋环境的考验。这些真实数据的反馈可以帮助他们改进石墨烯改性防腐涂层技术，获得更高的性价比。

实用吸金技术

目前，该技术成果已经产业化，年产1万吨石墨烯改性重防腐涂料的生产能力，实现了石墨烯改性重防腐涂料的低成本、稳定批量生产，市场前景十分广阔

石墨烯最初是以高于黄金的价格制备的。随着研究的深入和生产规模的提高，石墨烯的成本越来越低。目前，由于石墨烯粉末大规模制备技术的突破，将石墨烯大规模添加到工业产品中在商业上是可行的。

王立平说:“目前石墨烯的价格相当于涂料中其他原材料的价格。另外，石墨烯涂层的添加量很小，仅在1%以内，因此石墨烯涂层的成本增加不明显。目前，我国良好的防腐涂料为1公斤30元，我们开发的石墨烯改性涂料略高于其他普通防腐涂料，但远低于进口重防腐涂料的价格。此外，根据目前的测试结果，我们是该领域最好的涂料在国内外。

目前，该技术成果已被宁波中科伊尹新材料有限公司产业化，该公司具有年产1万吨石墨烯改性重防腐涂料的生产能力，实现了石墨烯改性重防腐涂料的低成本、稳定批量生产。其产品已进入国家电网沿海地区和工业大气污染区大型输电塔、西南地区光伏发电支架、石化设备和航天设备领域的规模示范和应用阶段。这也是全球首次完成石墨烯改性重防腐涂料的整个工程链，包括材料开发、自然环境评估、工程示范乃至大规模生产和应用。

"这些材料是不用钱做的."据王立平介绍，该成果与中科伊尹一起转让转化时，实验团队获得3000多万元，使烧钱新材料的研发和实验进入良性循环。

那么，石墨烯防腐材料的市场有多大？腐蚀是新兴的海洋工程、现代交通、能源工业、石油工业、大型化工企业、海岛工程等领域中影响设备和设施安全和使用寿命的重要因素。据统计，仅2014年一年，中国的腐蚀总成本就超过了2.1万亿元人民币，占当年国内生产总值的3.34%。

中国拥有2000亿元人民币的防腐涂料市场，其中重防腐涂料的年均增长率超过20%。过去，由于缺乏自主知识产权技术和相应的技术标准，中国70%的重防腐涂料市场被国外品牌垄断，质量参差不齐。

重防腐涂料是减少腐蚀破坏、保证设备设施在恶劣腐蚀环境下的可靠性和使用寿命的关键材料，其发展水平是一个国家涂料科技水平的重要标志。对于中国科学院宁波材料科学研究所石墨烯涂层研发团队来说，石墨烯改性重防腐涂层的研发将在重大突破的基础上，从基础研究和工业推广继续推进，使腐蚀环境中的设备和设施穿上国产石墨烯防腐涂层！(《经济日报》？中国经济网记者严慧敏)