人類最強結(jié)晶石墨烯及其衍生物的幾種工業(yè)化應(yīng)用

人類最強結(jié)晶石墨烯及其衍生物的幾種工業(yè)化應(yīng)用


石墨烯被稱為人類最堅固的晶體，因此，它不僅受到資本市場的強烈關(guān)注，而且受到政府、企業(yè)和研究機構(gòu)的青睞，成為世界上最受關(guān)注的新材料。下面簡要分析了石墨烯及其衍生物的幾個領(lǐng)域具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。

超硬超強：石墨烯是目前已知的強度最高的材料，130gpa，比金剛石硬，硬度比世界上最好的鋼高100倍以上；

超強導熱性：強石墨烯具有優(yōu)異的導熱性。純無缺陷單層石墨烯的導熱系數(shù)高達5300W/m.k，是金剛石的3倍，是銅的10倍。

超透明：石墨烯具有很好的光學性能，在較寬的波長范圍內(nèi)吸收率為2.3%，即透光率為97.7%，幾乎透明；

超吸附能力：石墨烯比表面積大，理論比表面積為2630平方米/克，具有優(yōu)異的吸附性能。

如果將直徑為人類頭發(fā)直徑千分之一（約0.34納米）的石墨烯折疊成一層和保鮮膜一樣厚的薄膜（幾毫米），則需要大象站在鉛筆上產(chǎn)生的壓力來刺穿它。

市場上的石墨烯和石墨烯衍生物可分為三種形式：石墨烯粉末、石墨烯薄膜和石墨烯溶液，其中石墨烯粉末和石墨烯薄膜屬于單層或多層石墨烯微芯片，石墨烯溶液主要是石墨烯衍生物，如氧化石墨烯和氟化石墨烯。多為銀灰色柳絮狀物，膜無色透明，溶液因產(chǎn)品類型或引入官能團不同而顏色不同。

目前，石墨烯及其衍生物的工業(yè)應(yīng)用還沒有取得實質(zhì)性突破，但石墨烯研究的最終目標是實現(xiàn)石墨烯在下游產(chǎn)品中的市場應(yīng)用，展示其獨特的物理化學性質(zhì)，從目前的研究成果來看，目前已有以下幾個領(lǐng)域工業(yè)化的發(fā)展前景。

隨著柔性屏幕、全屏幕和屏幕下指紋識別技術(shù)的興起，石墨烯屏幕以其高透光率、低電阻率、耐撞性和靈活性而備受關(guān)注，但目前由于產(chǎn)品的優(yōu)良率和成本問題，人們認為，當石墨烯柔性化的生產(chǎn)過程中屏幕是突破性的，它將廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和智能家居等領(lǐng)域。

注：目前，稀有昂貴的ITO廣泛應(yīng)用于有機LED（OLED）顯示器的透明電極。石墨烯可以提供更便宜、更薄、更快的替代品，從而避免了ITO的短缺，為柔性顯示器的發(fā)展鋪平了道路。

近日，一項發(fā)明專利宣布，美祖手機開發(fā)出了一種新型的全屏幕手機，其屏幕組件為石墨烯屏幕，功能裝置將位于手機屏幕下方，大大提高了手機屏幕的比例，與劉海平告別，目前柔性石墨烯屏幕還遠沒有產(chǎn)業(yè)化。但它的市場價值應(yīng)該是可以預(yù)期的。

石墨烯具有優(yōu)良的電子導電性，其導電性可達106s／m，表面電阻僅為30μ／m2，優(yōu)于銀、銅等最著名的導電體，碳基材料可用于鋰電池和導電油墨行業(yè)，而不可用于導電碳黑和碳納米管。石墨烯工業(yè)應(yīng)用最現(xiàn)實的方向。

鋰電池：石墨烯在鋰電池中的主要作用是提高鋰電池的能量密度，在一定程度上降低電池的內(nèi)阻，傳統(tǒng)的鋰離子電池導電劑如碳黑、碳纖維等與活性物質(zhì)點對點接觸，而活性物質(zhì)是鋰離子電池中的主要導電劑。TS的導電效果和增加了導電劑的添加量。石墨烯是一種片狀結(jié)構(gòu)，與活性物質(zhì)的接觸是點對面接觸，可以最大限度地發(fā)揮導電劑的作用，減少導電劑的用量，提高鋰離子電池的能量密度。

導電油墨：目前，銀粉和銅粉是導電油墨的最佳填料。由于金、銀等貴金屬導電油墨價格昂貴，其應(yīng)用范圍有限，相比之下，碳基導電油墨具有成本低、性能穩(wěn)定、無需太多后處理步驟、與噴墨打印方法兼容等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景。展望。

以石墨和碳粉為基礎(chǔ)的導電油墨雖然價格低廉，但也存在著導電率低、易固化收縮、墨層開裂等固有缺陷，石墨烯比表面積大，電子導電性好，在10～100K范圍內(nèi)不表現(xiàn)出溫度依賴性，因此，我國目前對石墨和碳粉的研究還處于起步階段。T在應(yīng)用上取得了一些突破，引起了人們的廣泛關(guān)注。

總之，石墨烯作為高端導電添加劑是目前最重要、最現(xiàn)實的應(yīng)用方向，值得注意的是，石墨烯作為導電劑不僅可用于鋰電池、導電油墨行業(yè)，還可用于塑料、橡膠等行業(yè)。

石墨烯具有很高的導熱系數(shù)和熱輻射系數(shù)。單層石墨烯的導熱系數(shù)可達5300W／m.k，不僅優(yōu)于碳納米管、石墨導熱膜等碳材料，而且高于鋁、銀等金屬材料。因此，石墨烯可作為散熱領(lǐng)域的導熱劑，鑒于石墨烯具有良好的導熱性、輕質(zhì)性和柔韌性，石墨烯最可行的應(yīng)用是作為電子產(chǎn)品、LED燈等的散熱材料，替代金屬導熱材料，如發(fā)光合金

石墨烯不僅可以直接制備成石墨烯薄膜作為導熱材料，還可以作為石墨薄膜、塑料、橡膠、手機鋰電池的導熱添加劑，目前導熱材料的價格較低，因此石墨烯作為導熱劑的主要問題是其導熱性能差。更高的成本直接限制了石墨烯在導熱材料中的應(yīng)用。

腐蝕是影響新興海洋工程、海島工程等領(lǐng)域設(shè)備設(shè)施安全使用壽命的重要因素之一。特別是在熱帶海洋開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，面臨著嚴重的腐蝕危機，影響著我國重大工程和設(shè)備的可持續(xù)發(fā)展，僅2014年，我國腐蝕總成本就超過2.1萬億元，約占當年國內(nèi)生產(chǎn)總值的3.34%。

經(jīng)過多年的技術(shù)研究，寧波材料技術(shù)工程研究院王麗萍、薛群杰院士團隊成功突破了石墨烯改性防腐涂料開發(fā)應(yīng)用的四大技術(shù)瓶頸，研制出了石墨烯防腐涂料，目前已取得了較好的效果。通過了中國防腐學會的鑒定。鹽霧關(guān)鍵技術(shù)指標壽命6000小時以上，處于國際領(lǐng)先水平。寧波中科銀益新材料有限公司目前已實現(xiàn)相關(guān)成果的產(chǎn)業(yè)化，已定型的8種產(chǎn)品已在電力設(shè)施、船舶、石化設(shè)備等領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用。

氟化石墨烯作為石墨烯的衍生物，不僅保持了石墨烯的高強度，而且由于氟原子的引入，使其具有表面能降低、疏水性增強和帶隙展寬等新穎的界面和物理化學性質(zhì)，同時，氟石墨烯還具有高溫性能。耐腐蝕性和化學性能穩(wěn)定，與被稱為二維特氟龍的聚四氟乙烯具有相似的性能，氟化石墨的化學惰性強，層間距比石墨大。在惡劣的環(huán)境下，具有良好的潤滑性能。

注：目前市場上的固體潤滑劑主要是二硫化鉬和石墨，但這兩種固體潤滑劑在還原條件和真空條件下的潤滑效果將顯著降低。

石墨烯及其衍生物作為高端添加劑的應(yīng)用是目前研究最多、最現(xiàn)實的工業(yè)化形式。它也是今后石墨烯產(chǎn)品的主要用途。石墨烯產(chǎn)品的質(zhì)量要求相對較低。主要問題是生產(chǎn)成本和下游應(yīng)用，此外，隨著智能器件的不斷發(fā)展和進步，石墨烯在柔性顯示屏制備中的應(yīng)用也是一個很有前途的工業(yè)化方向。

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