Nächster Schritt in der Graphen-Massenproduktion
Traditionell findet die Graphenproduktion durch die Verwendung von Methoden für die Graphitverarbeitung oder chemische Dampfabscheidung statt, die jeweils in unterschiedlichen Materialeigenschaften und -beschaffenheiten resultieren. Obgleich die chemische Dampfabscheidung ein skalierbares Verfahren ist, wird dabei lediglich einschichtiges, qualitativ hochwertiges Graphen erzeugt, das für Halbleiteranwendungen geeignet ist. Die Initiative „Production Work Package“ von Graphene Flagship unter der Leitung von Dr. Alex Jouvray von Aixtron Ltd im Vereinigten Königreich ist auf die Graphen-Massenproduktion für Anwendungen auf dem kommerziellen Markt fokussiert. Die Idee ist es, die Herstellungsprozesse der chemischen Dampfabscheidung nach oben zu skalieren und Graphen kosteneffektiv massenweise im industriellen Maßstab zu produzieren, während die Konsistenz und hohe Qualität erhalten bleiben. „Unser oberstes Ziel ist die Einrichtung einer industriellen Graphen-Lieferkette in Europa, über die die verschiedenen Graphen-Anwendungen unterstützt werden können“, erklärt Dr. Jouvray. Zu den Partnern des Work Package zählen unter anderem ein Hersteller von Industrieausrüstung (Aixtron Ltd), kommerzielle Graphenproduzenten (Avanzare Innovacion Tecnologica SL, Graphenea SA und Grupo Antolin-Ingenieria SA) sowie Graphenendbenutzer wie zum Beispiel Airbus Operations SL und Aernnova. Produktionsmethoden Bei Methoden für die Graphenverarbeitung wie zum Beispiel Exfoliation, Ultraschalldesintegration und Plasmabehandlung wird das Graphit in kontrollierter Weise so aufgebrochen, dass Graphenflocken entstehen. Mit der Exfoliationsmethode können Graphenflocken von sehr hoher Qualität gewonnen werden, diese ist jedoch nicht auf einen industriellen Maßstab skalierbar. Bei der Plasmabehandlung und Ultraschalldesintegration wiederum können sehr große Mengen Graphenoxid, reduzierten Graphenoxids und Graphen-Nanoplättchen produziert werden, die als Zusatzstoffe für Kunststoff dienen oder die in glasfaserverstärkte Polymere bzw. in Beton integriert werden, um dem Material Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu geben. Darüber hinaus eignen sich diese graphenverwandten Materialien für Beschichtungen und Druckanwendungen. Forscher haben neben einer Plattierungstechnik, bei der qualitativ hochwertiges Graphen auf großflächige Substrate übertragen wird, erfolgreich eine Methodik für die großflächige Ablagerung von Graphen auf Folie entwickelt. Überdies hat Avanzare die Graphen-Produktion auf mehrere Tonnen pro Jahr gesteigert und fungiert als Lieferant für andere „Graphene Flagship“-Partner. Neuartige graphenbasierte Produkte Abgesehen von der Graphenproduktion und den Ablagerungssystemen wurde viel Arbeit darin investiert, dass die graphenbasierten Produkte für reale Umgebungen qualifiziert sind. Eine Reihe von Produkten, die Graphen enthalten, wurde auf den Markt gebracht, darunter beispielsweise Tennisschläger, Autodachhimmel und eine Vielzahl mit Graphen verwandter Materialien. Das Production Work Package zielt insbesondere auf die Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Optronikindustrien ab. Durch Hinzugabe von Graphen in einen Polymer-Verbundstoff haben Wissenschaftler feuerhemmenden Kunststoff hergestellt, der potenziell im Automobil- und Gebäudesektor verwendet werden kann. Die Einbindung solcher intelligenten Materialien in Kombination mit effizienten Feuermeldeanlagen kann zweifelsohne die Gebäudesicherheit erhöhen. Angesichts des wachsenden Problems von Straßenfahrzeugbränden werden feuerhemmende Materialien ebenso zur Verbesserung der Verkehrssicherheit beitragen. Die Entwicklung von graphenverstärkten Strukturen für Anwendungen im Luft- und Raumfahrtbereich ist von enormer Bedeutung. Graphen verleiht Verbundstoffen bessere mechanische Eigenschaften und mehr Leitfähigkeit. Ingenieure und Wissenschaftler von Airbus, Aernnova und Grupo Antolin haben einen Flugzeug-Prototypen entwickelt, der graphenbasiertes Verbundmaterial verwendet, das bei weniger Gewicht gegen Blitzschlag schützt. Bis vor Kurzem war Graphen größtenteils lediglich auf eine Forschungsumgebung beschränkt. „Die Graphenentwicklung im Rahmen des Production Work Package basiert gänzlich auf der Industrie, und die Material- und Ausrüstungshersteller müssen sich an strikte Protokolle für die Entwicklung und Qualitätskontrolle halten“, bemerkt Dr. Jouvray. Da Graphen rasant zum Material des 21. Jahrhunderts wird, muss die Industrie mit den Produktionsprozessen Schritt halten. Dr. Jouvray ist davon überzeugt, dass Graphene Flagship zur „Schaffung eines industriebasierten Ökosystems und dementsprechender Produkte führt, wodurch potenzielle Anwendungsmöglichkeiten erweitert werden“.
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