Материалы будущего: графен и бетон

Строительная отрасль растет из-за увеличения населения и быстрой урбанизации. Однако она также сталкивается со значительными препятствиями в сокращении выбросов углекислого газа, особенно выбросов, связанных с продуктами на основе цемента. При изготовлении цемента, который используется для связывания традиционного бетона и строительного раствора, известняк и другие материалы нагреваются примерно до 1480 градусов по Цельсию. Этот процесс приводит к выбросу в атмосферу большого количества углекислого газа. Если бы строительная отрасль была страной, она заняла бы третье место по выбросам после США и Китая.

Интегрируя графен в бетон, инженеры и архитекторы могут создавать конструкции, требующие меньше материала, при этом достигая тех же структурных характеристик, что и традиционный бетон. Бетон с графеном в 2,5 раза прочнее и в 4 раза менее водопроницаем, чем стандартный бетон. Для достижения желаемой прочности используется гораздо меньше цемента. В результате ожидается сокращение выбросов CO2 на 30%.

В марте 2022 года флагманский партнер Graphene Versarien представил первую в мире конструкцию, напечатанную на 3D-принтере с добавкой графена, под торговой маркой Cementene™. Затем, в сентябре 2022 года, компания представила низкоуглеродное произведение искусства Island Steps, созданное в сотрудничестве с дизайнером Стюартом Падвиком и представленное на выставке Design London.

Островные ступени были построены без использования цемента. Вместо этого для повышения прочности и долговечности раствора, используемого в строительстве, использовался Cementene™. В результате получилась прочная и полая конструкция, которую можно удобно построить как на строительной площадке, так и за ее пределами, а затем транспортировать к намеченному месту.

Помимо прочности, исследователи пытаются использовать проводимость графена для создания стен, обоев и полов, обогреваемых без кабелей. В 2019 году производитель цемента Italcementi представил макет многослойного пола на Всемирном мобильном конгрессе 2019 года в Барселоне, Испания. Он включал слой графено-цементного композита, черновой пол, изоляцию из полистирола, бетонную плиту, подкладочный раствор и керамическую плитку.

Умный бетон может положить начало новому поколению умных зданий. Благодаря проводимости и термическим свойствам графена можно размещать интеллектуальные датчики по всей поверхности для мониторинга в режиме реального времени напряжений, деформаций, температуры и влажности в гражданской инфраструктуре, обеспечивая предупреждающие сигналы, если структурная целостность близка к разрушению.

Тепло и электропроводность графенбетона вдохновляют на другие потенциальные применения. Это может помочь разморозить взлетно-посадочные полосы, крыши и дороги аэропортов, привести к более экономичной беспроводной зарядке электромобилей, созданию антистатических полов и защите от электромагнитных помех (ЭМП).

Добавки графена являются важными наполнителями, повышающими износостойкость, термические качества, способность противостоять растрескиванию и проводимость керамических матриц.

Флагманский партнерский проект по графену CERANEA, финансируемый в рамках совместного транснационального конкурса FLAG-ERA 2017, исследовал свойства материалов, изготовленных из стопок, содержащих графен, гексагональный нитрид бора (hBN) или другие слоистые материалы, а также керамику, такую ​​​​как нитрид кремния, кремний. карбид и цирконий. Эти материалы более устойчивы, чем современная керамика, к повреждениям, вызванным электрической дугой, поэтому их можно использовать в качестве долговечных покрытий для контактов и переключателей.

Кроме того, композиты с графеном, нитридом кремния или нитридом кремния-диоксидом циркония изучаются в качестве новых биомедицинских имплантатов в ортопедии. Различное количество графена в композите керамика-графен приводит к различной пористости, которая имитирует естественную морфологию натуральной кости.

Использованная литература:

Роликовая дискотека против изменения климата: как графен меняет строительную отрасль https://www.manchester.ac.uk/discover/news/roller-disco-vs-climate-change--how-graphene-is-transforming-the- строительная индустрия/

Технический документ Versarien «Графен для строительного сектора», 2021 г. https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf