中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石墨烯的厚度僅為0.35nm，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料。由于石墨烯的結(jié)構(gòu)的特殊性，使得它具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。例如，它的抗拉強(qiáng)度是已知所有材料中最高的，可以達(dá)到130Gpa，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)4.84×103～5.3×103 W/(m·K)，相當(dāng)于碳納米管的極限導(dǎo)熱系數(shù)；其載流子遷移率高達(dá)15000cm2·V-1s-1，是目前已知遷移率最高的，可以達(dá)到商用硅片的10倍以上。
碳同素異形體：石墨烯到富勒烯、納米管及石墨
近年來(lái)，基于石墨烯優(yōu)異的性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，石墨烯在電子器件、納米纖維、航空航天、國(guó)防、醫(yī)藥、屏蔽材料、導(dǎo)熱材料、儲(chǔ)能材料、傳感器以及其他先進(jìn)復(fù)合材料等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。今天，粉體網(wǎng)編輯簡(jiǎn)要盤(pán)點(diǎn)石墨烯在部分高端行業(yè)的典型應(yīng)用與內(nèi)在價(jià)值，大家一起交流、學(xué)習(xí)。
高品質(zhì)石墨烯
1、國(guó)防裝備
在國(guó)防領(lǐng)域的多個(gè)方向，石墨烯的潛在應(yīng)用已經(jīng)嶄露頭角，并且制得的先進(jìn)材料的某些性能已經(jīng)體現(xiàn)出了顛覆性的優(yōu)勢(shì)。
由于石墨烯的高強(qiáng)度，作為增強(qiáng)材料，石墨烯可用于多種軍事平臺(tái)的結(jié)構(gòu)材料、裝甲材料、身體防護(hù)設(shè)備等，制得的復(fù)合材料優(yōu)于目前已知的所有增強(qiáng)材料的效果。
由于石墨烯獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，將石墨烯用于多種電子器件如納機(jī)電系統(tǒng)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、存儲(chǔ)設(shè)備、調(diào)制器、激光器、戰(zhàn)劑傳感器、氣體傳感器、高溫傳感器等，或用于負(fù)載供電設(shè)備、智能衣物等，可以顛覆性地改變這些器件或設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景的態(tài)勢(shì)。
此外，將石墨烯用于隱身材料、凈水材料等，石墨烯也已經(jīng)顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)。作為當(dāng)今備受關(guān)注的前沿新材料之一，國(guó)際上很多國(guó)家也高度重視石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從戰(zhàn)略層面對(duì)石墨烯進(jìn)行布局。
2、熱管理
高速飛行器、微電子器件等領(lǐng)域熱管理的主要作用是將諸如電子元器件中產(chǎn)生的熱量快速傳遞至散熱材料，避免其因過(guò)高的溫度而發(fā)生失效。如果器件使用過(guò)程中出現(xiàn)了熱點(diǎn)，其熱通量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，因此要求導(dǎo)熱材料具有較高的面內(nèi)熱導(dǎo)率。銅、鋁等傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料，由于密度大、熱膨脹系數(shù)高、易腐蝕、不耐氧化等缺點(diǎn)，難以滿(mǎn)足航空航天等極端環(huán)境下導(dǎo)熱、傳熱的要求。
由于高比表面積、高載流子遷移率及完美的二維平面晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯具有優(yōu)異的面內(nèi)導(dǎo)熱性能，且通過(guò)與碳納米管共價(jià)交聯(lián)有望改善石墨烯厚度方向的導(dǎo)熱性能，使其在微電子、航空航天、船舶、高功率武器平臺(tái)的熱管理方面具有重大的戰(zhàn)略前沿意義。在室溫下的面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)~5300W/(m·K)，石墨烯還具有密度低（<2.2g/cm3）、熱膨脹系數(shù)小、熱輻射率高、高溫穩(wěn)定性好（無(wú)氧環(huán)境下耐溫可達(dá)約3000℃）、耐粒子沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此石墨烯是一種理想的可適用于極端環(huán)境的高性能熱管理材料。
3、電磁屏蔽
石墨烯基材料因其獨(dú)特的電磁性能（極高的電子電導(dǎo)和優(yōu)異的磁學(xué)性能）和出眾的力學(xué)性能（厚度薄且拉伸強(qiáng)度大）而具有超高的理論SE值，是新一代高屏蔽效能、寬頻的輕質(zhì)電磁屏蔽的首選材料之一。研究表明，單層石墨烯在理想情況下可通過(guò)吸收損耗衰減電磁波，其電磁干擾屏蔽效能可達(dá)到16.5dB，對(duì)入射電磁波的屏蔽率為97.8%。
由于片層之間的范德華相互作用，石墨烯納米片會(huì)發(fā)生不可逆團(tuán)聚或無(wú)序堆積，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的接觸電阻，電子難以沿平面方向高效傳輸，限制了其電磁屏蔽性能的發(fā)揮，并降低了其力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)化是抑制自發(fā)堆疊與團(tuán)聚，充分發(fā)揮石墨烯高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性?xún)?yōu)勢(shì)的重要手段。利用還原自組裝法、澆注法、化學(xué)氣相沉積法，使石墨烯基材料通過(guò)π-π堆疊成層層有序的薄膜結(jié)構(gòu)，能夠大幅提高石墨烯材料的導(dǎo)電性。此外，通過(guò)薄膜表面性質(zhì)與厚度調(diào)控能夠獲得差異化電磁屏蔽能力及適用于不同電磁場(chǎng)景的電磁屏蔽材料。
4、柔性電子
石墨烯的透光率非常高，其吸收率只有2%，比氧化銦錫的15%~18%要低得多，它不但透射率高，表面電阻小，均勻性好，而且化學(xué)性能穩(wěn)定，硬度大。雖然采用化學(xué)方法制備的石墨烯具有較低的導(dǎo)電性，但是其成本低、功能化簡(jiǎn)單、成膜面積大等特點(diǎn)，使其仍被廣泛地用于柔性電子、光電子器件和電路領(lǐng)域；而且這種薄膜具有很好的延展性，即使受到外力的影響，也能維持其優(yōu)良的性能。
研究顯示，在經(jīng)歷了25%的變形之后，這種觸摸屏仍然具有良好的電學(xué)和力學(xué)性能。因此，隨著石墨烯技術(shù)的發(fā)展，石墨烯將會(huì)取代銦錫氧化物，從而形成一種新型的透明電極。
5、傳感器
由于石墨烯具有大的比表面積、獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的導(dǎo)電性、高載流子遷移率和密度、高導(dǎo)熱性等，因此石墨烯和傳感器是天然的組合。石墨烯的大表面積可以增強(qiáng)所需生物分子的表面負(fù)載，其優(yōu)異的導(dǎo)電性和小帶隙有利于生物分子和電極表面之間的電子傳導(dǎo)。石墨烯片內(nèi)的每個(gè)顆粒都處于包圍條件下，使得石墨烯能夠以微米測(cè)量充分識(shí)別周?chē)h(huán)境的變化，從而具有高水平的情感性。石墨烯同樣可以在原子水平上區(qū)分奇異擾動(dòng)。
石墨烯的大量特性有助于在傳感器中的應(yīng)用。而且適用于不同領(lǐng)域的傳感器，包括生物傳感器、DNA傳感器、化學(xué)傳感器、氣體傳感器等等。
6、太陽(yáng)能電池
石墨烯具有優(yōu)良的透光性、高電子遷移性，更低的電阻性，因此它在太陽(yáng)能電池方面的應(yīng)用潛力很大。利用石墨烯作陽(yáng)極，可以從根本上解決目前使用的透光導(dǎo)電極材料存在的低熱穩(wěn)定性、高成本等問(wèn)題。與常規(guī)的單晶硅電池相比，石墨烯太陽(yáng)能電池的成本大幅下降，成本降低為30%左右。
7、超級(jí)電容器
石墨烯因其比表面積大、柔韌性好、機(jī)械性能好、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容電極。目前，在超級(jí)電容中，石墨烯的應(yīng)用主要有兩種：一是作為獨(dú)立的電極材料；二是將石墨烯與金屬、金屬氧化物、導(dǎo)電高分子等電極材料混合形成復(fù)合電極。
從石墨烯材料角度總結(jié)，石墨烯量子點(diǎn)或粉末可以組裝成零維（0D）結(jié)構(gòu)電極材料，石墨烯纖維或紗線可以組裝成一維（1D）電極材料，石墨烯薄膜或薄片可以組裝成二維）2D）電極材料，與金屬氧化物/氫氧化物顆�；�?qū)щ娋酆衔飶?fù)合形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可組裝成三維（3D）電極材料。
8、半導(dǎo)體
場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種利用電流在輸入電路中的電流來(lái)控制輸出環(huán)路的新型半導(dǎo)體器件。目前，許多晶體管采用的電極材料多為金、鋁，其電阻大、反應(yīng)不靈活、資源消耗大、透光率低、不易彎曲和變形。而石墨烯的化學(xué)特性和鋁類(lèi)似，既有鋁的優(yōu)勢(shì)，又克服了鋁的缺陷，其化學(xué)性能比鋁更穩(wěn)定，電子遷移率也更高，并且與鄰近層的材料接觸的電阻非常低。高速晶體管溝道較短時(shí)，其響應(yīng)速度也較快。
目前，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為兩類(lèi)：底柵型和頂柵型。底柵制作工藝簡(jiǎn)單，但寄生電容大，不易與其他器件進(jìn)行集成；頂柵型的特點(diǎn)是：寄生電容很小，易于與其它設(shè)備集成。目前，在模擬電路和數(shù)字電路中，石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管已被廣泛應(yīng)用。
9、醫(yī)藥
石墨烯應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域可以進(jìn)行基因遞送、開(kāi)發(fā)生物替代品改善和恢復(fù)組織器官的功能。石墨烯基納米材料在傷口愈合、再生醫(yī)學(xué)、組織和干細(xì)胞工程領(lǐng)域找到了新的發(fā)展方向，它具有卓越的力學(xué)性能（如強(qiáng)度、彈性和柔韌性），適用于平坦表面并影響各種功能。
此外，氧化石墨烯、還原氧化石墨烯和石墨烯量子點(diǎn)表現(xiàn)出高表面積，可提供足夠的載藥能力和生物相容性。
10、抗菌材料
氧化石墨烯作為一種碳基納米材料，其本質(zhì)上是由石墨片剝離而來(lái)的一種表面含有羥基（-OH）、羧基（-COOH）和醛基（-CHO）等含氧官能團(tuán)的二維材料。眾所周知，氧化石墨烯可以表現(xiàn)出與傳統(tǒng)抗生素不同的抗菌機(jī)制，其抗菌作用始于自身與細(xì)菌細(xì)胞的相互作用，總體可分為細(xì)菌細(xì)胞膜破壞、氧化應(yīng)激以及細(xì)菌捕獲包覆。
由于氧化石墨烯獨(dú)特的抗菌機(jī)制，其需要與細(xì)菌相互作用引發(fā)抗菌性能。因此，在實(shí)際應(yīng)用中氧化石墨烯的抗菌活性會(huì)受到一些物理和化學(xué)因素的影響，包括形態(tài)尺寸、外部環(huán)境、使用條件和抗菌助劑等。目前，氧化石墨烯在生物醫(yī)學(xué)、水處理、涂料和紡織等多個(gè)領(lǐng)域的抗菌應(yīng)用材料被廣泛應(yīng)用。
結(jié)語(yǔ)
石墨烯材料在光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面的優(yōu)異特性使其幾乎應(yīng)用到了各行各業(yè)，其價(jià)值之大不可估量。不過(guò)石墨烯制備技術(shù)、應(yīng)用成本依舊有待突破，其價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有開(kāi)發(fā)完。
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(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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