Il Graphene Flagship ha riunito i migliori ricercatori e aziende europee per discutere i modi più dirompenti in cui il grafene potrebbe migliorare i compositi utilizzati nel settore aerospaziale, industrie automobilistiche ed energetiche. Il team multidisciplinare ha coinvolto ricercatori di istituzioni accademiche, imprese come Graphene Flagship Partners Nanesa e Avanzare, e grandi industrie di utenti finali dei trasporti, come Graphene Flagship Partners Airbus e Fiat. Hanno dimostrato che l'integrazione di grafene e materiali correlati (GRM) in compositi rinforzati con fibre (FRC) ha un grande potenziale per migliorare peso e resistenza, e aiuta a superare i colli di bottiglia che limitano le applicazioni di questi compositi negli aerei, macchine, turbine eoliche e altro ancora. Oggi, l'industria dei trasporti è responsabile di quasi un terzo della domanda globale di energia, ed è la principale fonte di inquinamento e di emissioni di gas serra nelle aree urbane. Gli scienziati di Graphene Flagship cercano quindi continuamente di sviluppare nuovi materiali per ridurre il consumo di carburante e la CO ₂ emissioni, contribuendo a mitigare i danni ambientali e il cambiamento climatico.

I compositi integrati con grafene sono un esempio di materiali più leggeri con un grande potenziale per l'uso nelle strutture dei veicoli. Sono costruiti introducendo fogli di grafene, pochi miliardesimi di metro di spessore, in compositi di fibre gerarchiche come nano-additivi. I compositi in fibra gerarchica sono un tipo di materiale composito in cui componenti di diverse dimensioni sono combinati in modo controllato per migliorare significativamente le proprietà meccaniche. Sono tipicamente costituiti da fibre di carbonio micro o mesoscopiche, pochi milionesimi di metro di spessore, attaccato a una matrice polimerica, e sono già utilizzati come materiali da costruzione per realizzare veicoli di tutte le forme e dimensioni.

L'alto rapporto di aspetto del grafene, l'elevata flessibilità e resistenza meccanica gli consentono di migliorare la resistenza dei punti deboli in questi compositi, come all'interfaccia tra due diversi componenti. La sua chimica superficiale sintonizzabile significa anche che le interazioni con la fibra di carbonio e la matrice polimerica possono essere regolate secondo necessità. La fibra, matrice polimerica e strati di grafene lavorano tutti insieme per distribuire lo stress meccanico, risultando in un materiale con una maggiore resistenza e altre proprietà benefiche.

Ci sono molte sfide da considerare. Ad esempio, gli aerei subiscono sbalzi di temperatura tra 20 °C e -40 °C ogni volta che decollano e atterrano, con enormi differenze di pressione e umidità. I compositi integrati con grafene devono quindi resistere alla condensazione dell'acqua e persino al congelamento all'interno della fusoliera. Devono anche sopportare i fulmini, che si verificano più volte al mese, quindi le proprietà conduttive del grafene devono essere sfruttate per creare una struttura elettricamente conduttiva che resista agli impulsi elettromagnetici. Nelle auto, i nuovi materiali strutturali devono essere in grado di resistere ai crash test ed essere sufficientemente leggeri da garantire l'efficienza del carburante. I ricercatori di Graphene Flagship stanno anche studiando materiali conduttivi per sostituire i circuiti nei cruscotti delle auto.

Ricercatori e utenti finali si incontrano

Partner Flagship Graphene presso la Queen Mary University e il National Graphene Institute, UK, FORTH-Hellas, Grecia, CNR, Italia, e Chalmers University of Technology, Svezia, ha collaborato con ricercatori dell'Università di Torino, l'Università di Trento e KET-LAB, Italia, e l'Università di Patrasso, Grecia, per fornire prospettive dalla comunità di ricerca. Hanno lavorato con gli scienziati delle aziende partner di Graphene Flagship Nanesa, Italia, e Avanzare, Spagna, per rivedere la fattibilità tecnologica degli FRC incorporati nel grafene.

Francesco Bertocchi, coautore del paper e Presidente di Nanesa, ritiene che gli FRC incorporati nel grafene siano effettivamente fattibili per la progettazione di veicoli, e ha creato nuovi compositi con molte proprietà essenziali per le industrie dei trasporti. "Grazie all'ammiraglia del grafene, Nanesa ha lavorato in stretta sinergia con molti partner per creare molti prototipi diversi. Questi includono proprietà come il ritardo di fiamma, barriera di assorbimento del vapore acqueo, elevata conducibilità elettrica e termica, e schermatura EMI. Abbiamo inoltre integrato sistemi termoresistivi per de-icing e anti-icing, " lui dice.

Graphene Flagship Partners Airbus e Fiat-Chrysler Automobiles, leader mondiali nel settore aerospaziale e automobilistico, ha valutato l'impatto degli FRC incorporati nel grafene sull'industria aerospaziale e automobilistica e ne ha valutato la fattibilità commerciale.

Tamara Blanco-Varela, co-autore e ingegnere di materiali e processi presso Airbus, spiega che Airbus sta lavorando duramente per rendere questi materiali utilizzabili in nuovi modelli di aerei. "Sappiamo tutti che il settore aeronautico è molto impegnativo per l'introduzione di nuovi materiali o tecnologie. Airbus si impegna a far volare i materiali correlati al grafene il prima possibile, e si sta mettendo a punto un approccio graduale, ", afferma. Selezionando applicazioni "quick-win" con vantaggi immediati per l'industria aerospaziale, prevede che FRC integrati con grafene raggiungeranno presto il mercato.

"Un esempio è l'utilizzo di questi materiali per scopi antighiaccio e antighiaccio negli aeroplani, per le quali Airbus condurrà attività mirate allo sfruttamento commerciale di questa tecnologia. Speriamo che raggiunga un alto livello di maturità, con un livello di prontezza target compreso tra cinque e sei, nei prossimi anni».

Brunetto Martorana, coautore e ricercatore presso Graphene Flagship partner Fiat-Chrysler Automobiles, aggiunge:"Le interessanti proprietà strutturali del grafene hanno aperto una finestra interessante per la progettazione di nuovi compositi leggeri". Spiega che i nuovi materiali compositi leggeri non devono necessariamente essere meno resistenti e introdurre problemi di sicurezza. "Devono essere trovati nuovi approcci per migliorare la resistenza agli urti dei compositi e i compositi di grafene potrebbero essere in grado di ricoprire questo ruolo, " continua. Fiat-Chrysler Automobiles è ora impegnata nella commercializzazione di nuovi materiali compositi, e guiderà una nuova iniziativa per portare questa tecnologia sul mercato."

Una prospettiva edificante

"Il Graphene Flagship fornisce una stabile, chiaro, partnership di lunga durata per diversi partner di lavorare insieme. Hanno tutti iniziato la loro collaborazione come parte del nostro pacchetto di lavoro sui compositi, " commenta Vincenzo Palermo, Vicedirettore di Graphene Flagship e autore principale del documento. "Il Graphene Flagship spinge tutti i partner ad avere interazioni frequenti, con incontri regolari, come in questo caso, i partner che hanno iniziato a lavorare sul grafene con motivazioni diverse si sono uniti per affrontare sfide comuni, " lui dice.

Galiotis, leader del pacchetto di lavoro sui compositi di Graphene Flagship, esprime che questa collaborazione è stata di grande valore. "Questa è una revisione completa del lavoro svolto nel Flagship Graphene, e altrove, confermare che l'aggiunta di GRM offre vantaggi a molte applicazioni nel settore aerospaziale, settore automobilistico, industrie dell'energia e del tempo libero." Galiotis esprime particolare interesse per l'analisi della revisione dei modi migliori per elaborare i GRM in compositi, l'effetto di ciò sulla prestazione complessiva del composito, e le sfide che gli scienziati devono affrontare nella ricerca di compositi ad alte prestazioni. "Globale, Penso che questo sia un articolo di revisione tempestivo per il campo dei compositi, che dovrebbe essere letto con interesse da tutte le parti coinvolte nello sviluppo e nell'uso compositi, " conclude.

Andrea C. Ferrari, Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene e presidente del suo comitato di gestione, commenta:"Questo documento mostra la leadership delle grandi aziende e delle piccole imprese, tutti i partner del Flagship Graphene, nel portare i compositi di grafene sul mercato nei prossimi anni. Questo dimostra ancora una volta il costante progresso della Graphene Flagship lungo la sua roadmap tecnologica e dell'innovazione".