一、石墨烯材料簡介

       現(xiàn)在全世界對石墨烯也沒有一個明確的定義。2004 年英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫發(fā)現(xiàn)單層石墨烯(graphene)。兩人因在石墨烯材料方面的卓越研究工作被授予2010年諾貝爾物理學獎。所以最初的石墨烯僅指一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是只有一個碳原子厚度的二維材料。然而后續(xù)研究表明，從電學性質(zhì)上講，兩層與三層、乃至十層的碳原子也具有各自特殊物理性質(zhì)，目前厚度在10層碳原子層以內(nèi)的片狀石墨材料定義為石墨烯這一說法逐漸被學術(shù)界認可。最近成立的中國石墨烯聯(lián)盟標準化委員會認定，厚度在10層以內(nèi)的碳原子材料才屬于石墨烯范圍。

      石墨烯就是一種神奇的材料，只要添加一點進入其它材料就有可能產(chǎn)生神奇的效果，不愧為材料界的“超級材料”。石墨烯不僅“最薄、最強”，作為熱導體，它比目前任何其它材料的導熱效果都好。利用石墨烯，科學家能夠研發(fā)一系列具有特殊性能的新材料。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導電速度更快的芯片，取代硅材料。由于石墨烯實質(zhì)上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板，甚至是太陽能電池。超級電容和芯片，是全世界研究石墨烯的重點領(lǐng)域，也是未來石墨烯革命的決勝點。石墨烯的應用必然是一個由低端向高端延伸的過程。利用石墨烯的導電導熱性的低端應用這兩三年內(nèi)將會崛起，而應用于光電轉(zhuǎn)換的電池以及代替硅材料的芯片領(lǐng)域，仍需要較長的時間。”

       二、石墨烯制造

      石墨烯的實用化產(chǎn)品分為兩類：石墨烯薄膜和石墨烯粉體。實驗室制備石墨烯的方法很多（參考下圖）。但是批量生產(chǎn)石墨烯的方式目前主要是兩種：一種是利用化學氣相沉積在金屬表面生長出單層率很高，面積很大的石墨烯薄膜材料；一種是將天然石墨通過物理或者化學的方法粉碎，形成石墨烯粉體。石墨烯粉體看起來就是很細的黑色粉末。國內(nèi)石墨烯粉體和石墨烯薄膜已具備批量化生產(chǎn)能力，預計一系列石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用即將大規(guī)模鋪開。作為科技含量很高的材料，石墨烯粉體的生產(chǎn)過程中，研發(fā)、技術(shù)和設備都很重要，生產(chǎn)中的人力成本非常小。年產(chǎn)能50噸石墨烯粉體的企業(yè)，生產(chǎn)過程中只需要幾個工人而已。

      三、石墨烯應用領(lǐng)域

      1、石墨烯薄膜的應用

      手機觸摸屏打響石墨烯薄膜應用第一槍。石墨烯薄膜在2014年的亮點就是在觸摸屏領(lǐng)域，2015年在柔性顯示、可穿戴電子將有所突破。據(jù)統(tǒng)計，移動設備觸屏產(chǎn)量在2015年可能將達到3600萬平方米。這在一定程度上也展現(xiàn)了石墨烯ITO薄膜的市場空間。2016年國內(nèi)國外的企業(yè)可能會在柔性太陽能電池方面有所突破，2017年可能將會大規(guī)模應用在科技領(lǐng)域。”據(jù)了解，石墨烯薄膜材料已經(jīng)在醫(yī)療等領(lǐng)域也取得了突破，獲得了較好的評價。

      2、石墨烯粉體的應用

      所謂的“石墨烯粉體”，實際上就是單層石墨烯和多層石墨烯的混合物粉體。其應用領(lǐng)域也極為廣泛。

      A、把石墨烯粉體添加到電纜中，將極大地改善導體材料的性能，電纜的利潤率也將會得到提升，市場前景非常大。

      B、石墨烯粉體替代氧化鋅的防腐涂料，一份石墨烯可以替代50份氧化鋅，這意味著如果未來用石墨烯替代氧化鋅，每噸防腐涂料就可以降低成本1000~2000元；一些塑料材料，因為添加了石墨烯而具備了導熱功能。

      C、在鋰離子電池行業(yè)，磷酸鐵鋰作為動力鋰離子電池最受關(guān)注的正極材料之一，一直存在導電性能偏弱問題。使用普通石墨粉體對其進行包覆改性，能夠在一定程度上提高磷酸鐵鋰的導電性能，但是并未達到理想狀態(tài)。如果使用石墨烯粉體對磷酸鐵鋰進行表面包覆改性，可以極大的提高磷酸鐵鋰的導電性能，大幅降低電池內(nèi)阻，從而提高電池組的大電流工作能力。

      上述應用僅僅是石墨烯應用領(lǐng)域的一部分，它的應用前景非常的廣闊，這一點是得到國內(nèi)外科學界的公認的。因此展開積極的石墨烯生產(chǎn)制造及應用研究是材料科學界具有戰(zhàn)略意義的課題，值得我們?nèi)ド疃汝P(guān)注。

(粉體圈 作者：敬之)