應用｜兩款石墨烯新產品成功應用于世界級工程——深中通道

　　6月30日，歷時7年建設的深圳至中山跨江通道（簡稱“深中通道”）正式通車試運營。這座粵港澳大灣區(qū)核心樞紐工程集“橋、島、隧、水下互通”于一體，全長約24公里。由于深中通道面臨頻發(fā)的臺風、高鹽高濕的苛刻環(huán)境、復雜的海底情況等，是當前世界上綜合建設難度最高的跨海集群工程之一。

　　7年研究和建設，深中通道創(chuàng)下了世界最大跨徑全離岸鋼箱梁懸索橋、世界最大海中懸索橋錨碇等10項世界之最，及海洋環(huán)境大跨徑懸索橋超高強纜索制造與防腐技術、海中大型錨碇建造集成技術等10大國際領先技術。超級工程的背后，石墨烯材料也參與并發(fā)揮了關鍵作用：

　　一、為應對苛刻的服役環(huán)境，深中大橋的鋼護筒、承臺和墩身結構采用了石墨烯增強高耐久熔融結合環(huán)氧防腐涂層和環(huán)氧鋼筋材料，大幅提升了相關結構的防腐、耐磨等性能，為深中通道工程提供了可滿足百年服役壽命的綜合防護解決方案。

　　二、深中大橋1666米特長懸索橋主纜的金屬鋼結構上采用了高性能石墨烯鋅涂料，該涂料具有卓越的防腐性能，可以為深中通道提供30年以上的長效保護。

　　01　石墨烯增強高耐久性熔融結合環(huán)氧涂層鋼筋技術

　　由中國工程院院士薛群基和中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員王立平領銜的科研團隊，聯(lián)合寧波科鑫腐蝕控制工程有限公司研制的二維納米材料增強高耐久性熔融結合環(huán)氧涂層鋼筋技術，在深中通道首次應用。

　　由于鋼筋混凝土中存在縫隙或空隙，海工設施在服役過程中會受到鹽水或酸雨等侵蝕，引起鋼筋銹蝕。銹蝕產生的氧化鐵皮讓鋼筋的體積膨脹，久而久之導致混凝土開裂、保護層剝落，腐蝕和性能劣化速度加快。常規(guī)環(huán)氧涂層鋼筋在施工過程中，涂層容易發(fā)生磕碰損傷，因此需要將涂層做厚從而增加強度，但單純增加涂層厚度，加工過程中彎折處的涂層更容易發(fā)生開裂，即常規(guī)涂層的高強度和高韌性通常難以兼顧。

　　聯(lián)合團隊的科研人員在環(huán)氧樹脂粉末中添加了以石墨烯為代表的二維納米材料，研制出二維納米材料增強熔融環(huán)氧涂層。多次調整測試顯示，涂層各項指標達到預期效果。這種涂層附著在鋼筋上后，二維納米材料會發(fā)揮優(yōu)異的阻隔特性，大幅降低腐蝕介質在涂層中的滲透擴散速率，使腐蝕介質難以接觸金屬表面。它與環(huán)氧樹脂協(xié)同，使鋼筋獲得優(yōu)異的耐蝕功能。

　　相比常規(guī)的環(huán)氧涂層鋼筋，深中大橋此次用到的防腐鋼筋，環(huán)氧涂層厚度增加了50％，結合強度達到50兆帕以上（常規(guī)涂層結合強度通常在10兆帕以下），涂層還具有干縮小、延性大以及可彎性強等優(yōu)點。此外，雖然環(huán)氧涂層配方有所調整，但這批防腐鋼筋基本上仍然按照傳統(tǒng)環(huán)氧涂層鋼筋的工藝流程制作，制作成本增幅并不大。

　　聯(lián)合團隊正進一步研究金屬鋅與環(huán)氧涂層結合的復合涂層技術，以實現(xiàn)鋼筋在受到磕碰后自行修復的功能，提供更強的防護性能。未來，這些創(chuàng)新技術有望廣泛應用于深潛器、海上風電、油氣鉆采平臺等苛刻環(huán)境中的工程和設施。

　　02　高性能石墨烯鋅涂料

　　百年工程深中通道，橋梁上金屬構件處于海洋大氣環(huán)境中，腐蝕環(huán)境惡劣，涂裝工程量巨大，后期維修難度高，涂裝質量直接影響到橋梁的使用壽命和可靠性、安全性。為達到長效防腐效果，經過專家組多次論證，首次在橋梁主跨1666米特長懸索橋的金屬鋼構采用石墨烯涂料。

　　中科院蘇州納米所攜手蘇州格瑞豐、涂創(chuàng)時代和德謙新材，產業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新，開發(fā)了高性能石墨烯鋅涂料，這種高性能石墨烯鋅涂料是在鋅的陰極保護機理上，引進純碳本征石墨烯，將配方進行優(yōu)化，全面激活高純度鋅，獲得陰極保護、屏蔽效應、抑制作用三合一的防腐蝕機理，表現(xiàn)出卓越的防腐性能。100μm厚度的該涂層劃×鹽霧超過5000小時，遠超傳統(tǒng)環(huán)氧涂層材料附著力和抗開裂性能，滿足了設計需求，并在深中大橋1666米特長懸索橋主纜的金屬鋼結構上得到了規(guī)模應用，為跨海橋梁建設和維護提供了安全耐久保障。

　　聯(lián)盟在研標準

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　　現(xiàn)階段，聯(lián)盟的標準制定工作有序進行，為助力石墨烯產業(yè)的高質量發(fā)展而不斷努力。標準的制定需要產業(yè)各方的參與，歡迎各相關單位積極參與聯(lián)盟的標準制定工作。