人類最強結晶石墨烯及其衍生物的幾種工業化應用
人類最(zuì)強結晶石墨烯及其衍生物的幾種工(gōng)業化應用
石(shí)墨烯被稱為人類最堅固的晶(jīng)體,因此,它不僅受到資本市場的強烈關注,而且受到政府、企業和研究機構的(de)青(qīng)睞,成為世界上最受關(guān)注的新材(cái)料(liào)。下麵簡(jiǎn)要分析了石墨烯及其衍(yǎn)生物(wù)的幾個(gè)領域具有很好的工業應用前景。
超硬超強:石墨烯是目前已知的強度最高的材料,130gpa,比(bǐ)金剛石硬,硬(yìng)度比世界上最好的鋼高100倍以上;
超強導熱性(xìng):強石墨烯(xī)具有優異的導熱性。純無缺陷單層石墨烯的導熱係數高達(dá)5300W/m.k,是金剛石的3倍,是銅的10倍(bèi)。
超透明:石墨烯具有很好的光學性能(néng),在較寬(kuān)的波(bō)長範圍內吸收率為2.3%,即透光率為(wéi)97.7%,幾乎透明;
超吸附能力:石墨烯比表麵積大,理(lǐ)論比表麵積為(wéi)2630平方米/克,具有優異的吸附性能。
如果將直徑為人類頭(tóu)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(zhàn)在鉛筆上產生的壓力來刺穿它。
市場上的石墨烯和(hé)石墨烯衍生物可分為三種形式:石(shí)墨(mò)烯粉末、石墨烯薄膜和石墨烯(xī)溶(róng)液,其(qí)中石墨烯粉末和石墨烯薄膜(mó)屬於單層或多層(céng)石墨烯微芯片,石墨烯溶液主要是石墨烯(xī)衍生物,如氧化石墨烯和氟化石墨(mò)烯。多為銀(yín)灰色(sè)柳絮狀物,膜無(wú)色透明(míng),溶液因產(chǎn)品類型或引入官能團不同而顏(yán)色不(bú)同。
目前,石墨烯及其衍生物的工業應用還沒有取得(dé)實質性突破,但石墨烯研究的最終目標是(shì)實(shí)現石墨烯在下遊產品中(zhōng)的市場應用(yòng),展示其獨特的物理化(huà)學性質,從目前的研究成果來看,目(mù)前已有以下幾個領域工業化的發展(zhǎn)前景(jǐng)。
隨著柔性屏幕、全屏幕和屏幕(mù)下指(zhǐ)紋識別技術的興起(qǐ),石墨烯屏幕以其高透光率、低電阻(zǔ)率、耐撞性和靈(líng)活(huó)性(xìng)而備受關注,但目前由於產品的優良(liáng)率和成本問題(tí),人們認(rèn)為,當石墨烯柔性化的(de)生產過程(chéng)中屏幕是突破(pò)性的,它將廣泛應用於電子(zǐ)設備和智能家居等領域。
注:目前,稀有昂貴的ITO廣泛應用於有機LED(OLED)顯示器的透明(míng)電極。石墨烯可以提(tí)供更便宜、更薄、更快的替代品,從而避免了ITO的短缺,為柔性(xìng)顯示器的發展鋪平(píng)了道路。
近日,一項發明專利宣布,美祖手機開發出(chū)了一種(zhǒng)新型的全屏幕手機,其屏幕組件為石墨烯屏幕,功能裝置將位於手機屏幕下方,大(dà)大(dà)提高了手機屏幕的比(bǐ)例(lì),與劉海平告別,目前柔性石墨烯屏幕還遠沒有產(chǎn)業化。但它的市場價值應該是可以預期的。
石墨烯具有優良的電子導(dǎo)電性,其導(dǎo)電(diàn)性(xìng)可達106s/m,表麵電阻(zǔ)僅為30μ/m2,優於銀、銅等最著(zhe)名的導電體,碳基材料可用(yòng)於鋰電池和導電油墨行業,而不可用於導電碳黑和(hé)碳納米管。石墨烯工業應用最現實的方向。
鋰電(diàn)池:石墨烯在鋰電池中的主要作用是提高鋰電池(chí)的能量密度,在一定程度上(shàng)降低電池的內阻,傳統的鋰離子(zǐ)電池導電劑如碳黑、碳纖維(wéi)等與(yǔ)活性物質點對點接觸,而活(huó)性物質是鋰離子(zǐ)電池中的主要導電劑。TS的導電效果和增加了導(dǎo)電劑的添加量。石墨烯是(shì)一種片狀結構,與(yǔ)活(huó)性物質的(de)接觸是點對麵接觸,可以(yǐ)最大限度地發揮導電劑的作(zuò)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(fěn)和銅粉是導電油墨的最佳填料。由(yóu)於金、銀等貴(guì)金屬導電油墨價格昂貴,其應用範圍有限,相比之(zhī)下,碳基導電油墨具有(yǒu)成本低、性(xìng)能穩(wěn)定、無需太多後處理步驟、與噴墨打印方法兼容等優點,具有廣泛的應用前景。展望。
以石墨和碳粉為基礎的導(dǎo)電油墨雖然價格低廉(lián),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(xī)比表(biǎo)麵積大,電子導電性好,在10~100K範圍內不表(biǎo)現(xiàn)出溫度依賴性,因(yīn)此,我國目前對石墨和碳粉的研究還處於起步階段。T在應用上取得了(le)一些突破,引(yǐn)起了人(rén)們的廣泛關注。
總之,石墨烯作為高端導電添加劑是目前最重要、最現實的應用方(fāng)向,值得注意的是,石墨烯作為導電劑不僅可用於鋰電池、導(dǎo)電(diàn)油墨行業,還可用於塑料、橡膠等(děng)行業。
石墨烯具有(yǒu)很高的導熱係數和熱輻射係數。單(dān)層石(shí)墨烯的(de)導熱(rè)係數可達5300W/m.k,不僅優於碳納(nà)米管、石墨導熱膜等碳材料,而且高於鋁、銀(yín)等金屬材料。因此,石墨烯可作(zuò)為散熱領域的導熱劑,鑒於石墨烯具有良好的導熱性、輕質性和柔韌性(xìng),石墨烯最可行的應用(yòng)是作為電(diàn)子產品、LED燈等的散(sàn)熱材料,替代金(jīn)屬導熱材料,如發光合(hé)金
石墨烯(xī)不僅可以直接製備(bèi)成石墨烯薄膜作為導熱(rè)材(cái)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(jiào)低,因此(cǐ)石墨烯作為(wéi)導熱(rè)劑的主(zhǔ)要問題是其導熱性能差。更高的成本直接限製了石墨烯在導熱材料中(zhōng)的應用。
腐蝕是影響新興海洋工程、海島(dǎo)工程等領域設備設施安全(quán)使用壽命的重要(yào)因素之(zhī)一。特別(bié)是在熱帶(dài)海洋開發和基礎設施建設方麵,麵臨(lín)著嚴重的腐蝕危機(jī),影響著我國重大工程和設備的可持續發展,僅(jǐn)2014年,我國腐蝕總成本就超過2.1萬億元,約占當年國內生(shēng)產總值的3.34%。
經過多年的技術研究,寧波材料技術工程(chéng)研究院王麗萍、薛群(qún)傑院士團隊成(chéng)功突破了石墨烯改(gǎi)性防腐塗料開發應用的四大技術(shù)瓶頸,研製出了石墨烯防腐塗料,目前已取得了較好的效(xiào)果。通過了中國防腐學會的鑒定。鹽霧關(guān)鍵技術指標壽命6000小時以上,處於國際領先水平。寧波中科銀益新材料有限公司(sī)目前已實(shí)現相關成果的產業(yè)化,已定型的8種(zhǒng)產品已在(zài)電力設施、船舶、石化設備等領域大規模應用。
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,而且由於(yú)氟原子的引入,使其具有表麵能降低、疏水(shuǐ)性增強和帶隙展寬等新穎的界麵(miàn)和物理化(huà)學性(xìng)質,同時,氟石墨(mò)烯還具有高溫性能。耐腐蝕性和(hé)化學性能穩定,與被稱為二維特氟龍的聚四氟乙烯具有相似的性能,氟化(huà)石墨的化學惰性強,層間距(jù)比石墨大。在惡劣的環境下,具有良好的(de)潤滑性能。
注:目前市場(chǎng)上的固體潤滑劑(jì)主要(yào)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(jiàn)下的(de)潤(rùn)滑效果將顯著降低。
石墨烯及其(qí)衍生(shēng)物作(zuò)為(wéi)高端添加(jiā)劑(jì)的應(yīng)用是目前研究最多、最現實的工業化形式。它也是今後(hòu)石墨烯產品的主要用途。石墨烯產品的質量(liàng)要求(qiú)相對較低。主要問題是(shì)生產成本和下遊應用,此(cǐ)外,隨著智能器件的不斷發展和進步,石墨烯在柔性顯示屏製備中(zhōng)的應用也是一個很有(yǒu)前途的工業化方向。
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