這是一場由石墨烯引發的熱點

3月17日，2017中國國際紡織紗線（春夏）展覽會在國家會展中心（上海）落幕。期間，「中國智造」的石墨烯纖維引發關注。展會上南通強生石墨烯科技有限公司帶來的石墨烯複合纖維手套，具有可抗菌、抗蟎蟲、抗熱、抗切割、抗靜電等功能。

據介紹，這一最新石墨烯原料製備技術，經由中外權威檢測機構檢測，中國專利事務所審查，中國上海科技情報所查新，以及以中國工程院院士領銜的技術成果專家評審委員會評審，確認達到了國際先進水平，具有完全知識產權。石墨烯複合纖維目前單層率已達到99%，纖維24小時滅蟎率達到95%的一級標準，遠紅外發熱可提升織物溫度攝氏2.5-3度，抗紫外功能是國家標準的4-5倍。

南通強生石墨烯科技有限公司歷時多年研究成功的全球最新石墨烯原料製備技術，最大的進展在於採用常溫常壓的插層-剝離生產工藝，該工藝生產流程短、效率高、產品單層率高、成本低、生產過程綠色環保。

今天我們就來了解下：號稱「材料之王」石墨烯是什麼？石墨烯是怎樣製備的？其應用前景如何呢？

關於石墨烯

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的准二維材料，所以又叫做單原子層石墨。它的厚度大約為0.335nm，根據製備方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大約1nm左右，水平方向寬度大約10nm到25nm，是除金剛石以外所有碳晶體的基本結構單元。

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，並在隨後三年內在單層和雙層石墨烯體系中分別發現了整數量子霍爾效應及常溫條件下的量子霍爾效應。

在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚體物理學學術界。他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎。

作為目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯被稱為「黑金」，是「新材料之王」，科學家甚至預言石墨烯將「徹底改變21世紀」。極有可能掀起一場席捲全球的顛覆性新技術新產業革命。

石墨烯的特性

1、強度與柔韌性

石墨烯的抗拉強度和彈性模量分別為 125 GPa 和 1.1TPa，楊氏模量約為42 N/m2，面積為1m2的石墨烯層片可承受4 kg的質量，其強度約為普通鋼的100倍，用石墨烯製成的包裝袋，可以承受大約2噸的重量，是目前已知的強度最大的材料。

2、導電導熱性

石墨烯最重要的性質之一就是它獨特的載流子特性和無質量的狄拉克費米子屬性。其電子遷移率可達到2×105cm2/V·s，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩定性高，電導率可達108Ω/ m,面電阻約為31Ω/sq（310Ω/m2），比銅或銀更低，是室溫下導電最好的材料。

比表面積大（2630m2/g），熱導率（室溫下是5000W·m-1·K-1）是硅的36倍，砷化鎵的20倍，是銅（室溫下401W·m·K）的十倍多。極高的強度與柔韌性，室溫下最好的導電導熱性使得石墨烯成為ITO（氧化銦錫）的理想替代材料，並在柔性導電薄膜材料方面有重要應用。

3、光學性質

單層石墨烯對可見光以及近紅外波段光垂直的吸收率僅為 2.3%，對所有波段的光無選擇性吸收。線性光學性質：單層石墨烯的吸光率很高，對從可見光到太赫茲寬波段每層吸收 2.3% 光。非線性光學性質：當入射光的強度超過某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達到飽和。這些特性可以使得石墨烯可以用來做被動鎖模激光器。

石墨烯的主要製備方法

石墨烯分為石墨烯粉體和石墨烯薄膜兩大類。常見的石墨粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法。石墨烯薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。

石墨烯粉體生產方法

1、機械剝離法

機械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結構。2004年英國兩位科學使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為機械剝離法，這種方法一度被認為生產效率低，無法工業化量產。

近年來，產業界對於石墨烯的生產方法進行了大量的研發創新，目前在廈門、廣東等省市已經有幾家公司攻克了低成本大規模製備石墨烯的生產瓶頸，使用機械剝離法工業化量出成本低、品質高的石墨烯。

2、氧化還原法

氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，在石墨層與層之間插入氧化物，製得氧化石墨(Graphite Oxide)。然後將反應物進行水洗，並對洗凈後的固體進行低溫乾燥，製得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體進行剝離，製得氧化石墨烯。最後通過化學法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。

這種方法操作簡單，產量高，但是產品質量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危險性，又須使用大量的水進行清洗，帶大較大的環境污染。

3、（碳化硅）SiC外延法

SiC外延法是通過在超高真空的高溫環境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構，從而得到基於SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質量的石墨烯，但是這種方法對設備要求較高。

石墨烯薄膜生產方法

化學氣相沉積法即（CVD）是使用含碳有機氣體為原料進行氣相沉積製得石墨烯薄膜的方法。這是目前生產石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法製備的石墨烯具有面積大和質量高的特點，但現階段成本較高，工藝條件還需進一步完善。

石墨烯的應用

隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，基於已有的研究成果，最先實現商業化應用的領域可能會是移動設備、航空航天、新能源電池領域。

1、物理學基礎研究

石墨烯對物理學基礎研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進行論證的量子效應可以通過實驗經行驗證。在二維的石墨烯中，電子的質量彷彿是不存在的，這種性質使石墨烯成為了一種罕見的可用於研究相對論量子力學的凝聚態物質——因為無質量的粒子必須以光速運動，從而必須用相對論量子力學來描述，這為理論物理學家們提供了一個嶄新的研究方向：一些原來需要在巨型粒子加速器中進行的試驗，如今可以在小型實驗室內用石墨烯進行。

石墨烯還具有所謂的量子霍爾效應，這種諾貝爾獎量級的重要效應以往是要在極低溫下才能顯現的，石墨烯卻能將它帶到室溫下。

2、石墨烯晶體管

石墨烯可以用來製作晶體管，由於石墨烯結構的高度穩定性，這種晶體管在接近單個原子的尺度上依然能穩定地工作。相比之下，目前勇挑大樑的以硅為材料的晶體管在10nm左右的尺度上就會失去穩定性；石墨烯中電子對外場的反應速度超快這一特點，又使得由它製成的晶體管可以達到極高的工作頻率。

3、柔性顯示屏

柔性顯示未來市場廣闊，作為基礎材料的石墨烯前景也被看好。韓國研究人員首次製造出了又多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。韓國三星公司和成均館大學的研究人員在一個63cm寬的柔性透明玻璃纖維聚酯板上，製造出了一塊電視機大小的純石墨烯研究人員表示，從理論上來講，人們可以捲起智能手機，然後像鉛筆一樣將其別在而後。

4、新能源電池

新能源電池也是石墨烯最早商用的一大重要領域。美國麻省理工學院已成功研製出表面附有石墨烯納米塗層的柔性光伏電池板，可極大降低製造透明可變形太陽能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機等小型數碼設備中應用。另外，石墨烯超級電池的成功研發，也解決了新能源汽車電池的容量不足以及充電時間長的問題，極大加速了新能源電池產業的發展。這一系列的研究成果為石墨烯在新能源電池行業的應用鋪就了道路。

5、石墨烯感光元件

2013年，新加坡南洋理工大學學者，研發出了一個以石墨烯作為感光元件材質的新型感光元件，可望透過特殊結構，讓感光能力比現有CMOS或CCD提高上千倍，而且損耗的能源也僅需原本10%。

這項技術將被應用在監視器與衛星成像領域中，不久的將來可以應用於照相機、智能手機等。

6、石墨烯複合材料

基於石墨烯的複合材料是石墨烯應用領域中的重要研究方向, 其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、感測材料和催化劑載體等領域展現出了優良性能, 具有廣闊的應用前景。目前石墨烯複合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物複合材料和石墨烯基無機納米複合材料上, 而隨著對石墨烯研究的深入, 石墨烯增強體在塊體金屬基複合材料中的應用也越來越受到人們的重視。

中國石墨烯產業聯盟教授李義春表示，目前我國石墨烯產業炒作多、產業化少，加快石墨烯產業化應用是關鍵中的關鍵。

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