石墨烯特性及其应用浅析
2020-12-18 17:42:23
一、石墨烯材料简介
现在全世界对石墨烯也没有一个明确的定义。2004 年英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现单层石墨烯(graphene)。两人因在石墨烯材料方面的卓越研究工作被授予2010年诺贝尔物理学奖。所以最初的石墨烯仅指一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是只有一个碳原子厚度的二维材料。然而后续研究表明，从电学性质上讲，两层与三层、乃至十层的碳原子也具有各自特殊物理性质，目前厚度在10层碳原子层以内的片状石墨材料定义为石墨烯这一说法逐渐被学术界认可。最近成立的中国石墨烯联盟标准化委员会认定，厚度在10层以内的碳原子材料才属于石墨烯范围。
石墨烯就是一种神奇的材料，只要添加一点进入其它材料就有可能产生神奇的效果，不愧为材料界的“超级材料”。石墨烯不仅“最薄、最强”，作为热导体，它比目前任何其它材料的导热效果都好。利用石墨烯，科学家能够研发一系列具有特殊性能的新材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的芯片，取代硅材料。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。超级电容和芯片，是全世界研究石墨烯的重点领域，也是未来石墨烯革命的决胜点。石墨烯的应用必然是一个由低端向高端延伸的过程。利用石墨烯的导电导热性的低端应用这两三年内将会崛起，而应用于光电转换的电池以及代替硅材料的芯片领域，仍需要较长的时间。”
二、石墨烯制造
石墨烯的实用化产品分为两类：石墨烯薄膜和石墨烯粉体。实验室制备石墨烯的方法很多（参考下图）。但是批量生产石墨烯的方式目前主要是两种：一种是利用化学气相沉积在金属表面生长出单层率很高，面积很大的石墨烯薄膜材料；一种是将天然石墨通过物理或者化学的方法粉碎，形成石墨烯粉体。石墨烯粉体看起来就是很细的黑色粉末。国内石墨烯粉体和石墨烯薄膜已具备批量化生产能力，预计一系列石墨烯的产业化应用即将大规模铺开。作为科技含量很高的材料，石墨烯粉体的生产过程中，研发、技术和设备都很重要，生产中的人力成本非常小。年产能50吨石墨烯粉体的企业，生产过程中只需要几个工人而已。
三、石墨烯应用领域
1、石墨烯薄膜的应用
手机触摸屏打响石墨烯薄膜应用第一枪。石墨烯薄膜在2014年的亮点就是在触摸屏领域，2015年在柔性显示、可穿戴电子将有所突破。据统计，移动设备触屏产量在2015年可能将达到3600万平方米。这在一定程度上也展现了石墨烯ITO薄膜的市场空间。2016年国内国外的企业可能会在柔性太阳能电池方面有所突破，2017年可能将会大规模应用在科技领域。”据了解，石墨烯薄膜材料已经在医疗等领域也取得了突破，获得了较好的评价。
2、石墨烯粉体的应用
所谓的“石墨烯粉体”，实际上就是单层石墨烯和多层石墨烯的混合物粉体。其应用领域也极为广泛。
A、把石墨烯粉体添加到电缆中，将极大地改善导体材料的性能，电缆的利润率也将会得到提升，市场前景非常大。
B、石墨烯粉体替代氧化锌的防腐涂料，一份石墨烯可以替代50份氧化锌，这意味着如果未来用石墨烯替代氧化锌，每吨防腐涂料就可以降低成本1000~2000元；一些塑料材料，因为添加了石墨烯而具备了导热功能。
C、在锂离子电池行业，磷酸铁锂作为动力锂离子电池最受关注的正极材料之一，一直存在导电性能偏弱问题。使用普通石墨粉体对其进行包覆改性，能够在一定程度上提高磷酸铁锂的导电性能，但是并未达到理想状态。如果使用石墨烯粉体对磷酸铁锂进行表面包覆改性，可以极大的提高磷酸铁锂的导电性能，大幅降低电池内阻，从而提高电池组的大电流工作能力。
上述应用仅仅是石墨烯应用领域的一部分，它的应用前景非常的广阔，这一点是得到国内外科学界的公认的。因此展开积极的石墨烯生产制造及应用研究是材料科学界具有战略意义的课题，值得我们去深度关注。
( ：敬之)