石墨烯及其衍生物的幾種產業化應用

最新 03-20

有「人類最強晶體」之稱的石墨烯於2004年被發現，成為了目前已知最薄最輕，強度最高，韌性最好，導電、導熱性最佳，透光率最高的材料。從而成為目前世界上最受關注的新材料，不僅受到資本市場的強烈關注還受到政府、企業和研究結構的青睞。下文將對石墨烯及其衍生物極具產業化應用前景的幾個領域做一個簡單的分析。

一、石墨烯特性及產品外觀形態

1、石墨烯獨特的理化性質

導電速度極快：在室溫下，它的導電速度要比其它的物質快許多，比如比硅要快250倍；

超硬超強：石墨烯是目前已知強度最高的材料，130GPa，比金剛石還堅硬，硬度比世界上最好的鋼鐵高100 多倍；

導熱能力超：強石墨烯具有非常好的熱傳導特性，純的無缺陷的單層石墨烯的導熱係數高達 5300W/m·K，是金剛石的3 倍，銅的10倍；

超級透明：石墨烯具有非常好的光學特性，它在較寬波長範圍內吸收率為2.3%，即透過率為97.7%，幾乎是透明的；

超強吸附能力：石墨烯具有巨大的比表面積，理論比表面積為2630m2/g，因此具有優異的吸附性能。

如果把厚度相當於人的頭髮絲直徑十萬分之一(約為0.34nm)的石墨烯，疊成保鮮膜那樣厚(零點幾毫米)，需要一頭大象站在一隻鉛筆上所產生的壓強，才能刺破它。

2、產品狀態

市場上的石墨烯、石墨烯衍生物從外觀形態上看，分為石墨烯粉體、石墨烯薄膜、石墨烯溶液三種形態。其中石墨烯粉體和石墨烯薄膜屬於單層或多層石墨烯微片，石墨烯溶液多為石墨烯衍生物，例如：氧化石墨烯、氟化石墨烯。粉體多呈銀灰色柳絮狀，薄膜為無色透明，溶液由於產品種類不同或引入的官能團不同顏色也不同。

石墨烯粉體及用途

二、石墨烯極具產業化應用前景的幾個領域

目前，石墨烯、石墨烯衍生物的產業化應用尚未獲得實質性突破，但石墨烯研究的最終目的是實現石墨烯在下游產品中的市場化應用，並使其獨特的物理化學性質表現出來。從目前各研究成果看，如下幾個領域產業化前景較好。

1、柔性石墨烯顯示屏

伴隨著柔性屏、全面屏及屏下指紋識別等「熱風」，石墨烯材質屏幕因擁有高透光率、低電阻率、耐摔耐撞及可彎曲等特性而受到關注，但目前受限於良品率問題及成本並未得以量產，相信在石墨烯柔性屏工藝獲得突破時，將在電子設備、智能家居等領域得以廣泛應用。

可隨意彎曲的柔性顯示屏，讓科技的腦洞全面打開

備註：目前普遍用於有機LED(OLED)顯示器透明電極的稀有且昂貴的氧化銦錫(ITO)，石墨烯(graphene)可以提供成本更低、更薄、速度更快的替代方案，從而規避ITO短缺的問題，並為柔性顯示器的開發鋪平道路。

最近，一個發明專利公布顯示，魅族手機研發出一款新型全面屏手機，其屏幕組件為石墨烯屏。功能器將位於手機屏下方，大大提升手機屏佔比，告別「劉海屏」。就目前來看，柔性石墨烯屏離產業化還有挺大距離，但它的市場價值應該是值得大家期待的。

魅族科技-石墨烯柔性屏幕手機專利

2、導電劑

石墨烯具有優異的電子傳導性能，其電導率可達106S/m，面電阻僅為30Ω/m2，性能超過已知最好的導體銀和銅。作為碳族材料可以替代導電炭黑、碳納米管等應用於鋰電池、導電油墨行業，這也是目前石墨烯產業化應用的最現實方向。

鋰電池：石墨烯在鋰電池中的主要作用是可以在一定程度上提高鋰電池的能量密度、降低電池內阻等。傳統的鋰離子電池導電劑，如炭黑，碳纖維等，與活性物質的接觸是點—點接觸，限制了導電作用的發揮，增加了導電劑添加量。而石墨烯是片狀結構，與活性物質的接觸為點—面接觸，可以最大化的發揮導電劑等作用，減少導電劑的用量，提升鋰離子電池的能量密度。

導電油墨：目前，導電油墨中使用導電性最好的填料是銀粉和銅粉，由於金、銀等貴金屬製成的導電油墨價格昂貴，應用範圍受到一定限制。相比之下，碳系導電油墨具有成本低、性能穩定、不需要太多印後處理步驟、與噴墨列印方式兼容等優點，因而具有廣泛的應用前景。

石墨烯導熱油墨

基於石墨、碳粉的導電油墨儘管價格低廉，但是其存在導電率低、容易固化收縮導致油墨層開裂等先天不足之處。而石墨烯具有更大的比表面積，更為優異的電子傳導性能,且在10~100 K 範圍內並未表現出溫度的依賴性，因此受到更多的關注並取得了一定的應用性突破。

總而言之，石墨烯作為一種高端導電添加劑是目前最主要和最現實的應用方向。需要注意的是，石墨烯作為導電劑不僅可以應用於鋰電池、導電油墨行業，也可以應用於塑料、橡膠等行業。

3、導熱劑

石墨烯具有極高的導熱率和熱輻射係數，單層石墨烯的導熱係數可達5300W/m·K，不僅優於碳納米管、石墨導熱膜等碳材料，更高於鋁、銀等金屬材料，因此石墨烯可以作為導熱劑應用於散熱領域。鑒於石墨烯優異的導熱性、輕薄性、可折繞性，石墨烯最具可行性的應用是作為電子產品、LED燈等的散熱材料，用以代替鋁合金等金屬導熱材料。

石墨烯不僅可以直接製備成石墨烯薄膜作為導熱材料用，更可以作為導熱添加劑加入到石墨膜、塑料、橡膠、手機鋰電池中。目前的導熱材料售價較低，因而石墨烯作為導熱劑使用面臨的主要問題還是成本，較高的成本直接限制了石墨烯在導熱材料中的應用。

4、石墨烯防腐

腐蝕是新興海洋工程、海島工程等領域裝備、設施安全性和服役壽命的重要影響因素之一，尤其熱帶海洋開發和基礎設施建設，面臨著嚴峻的腐蝕危機，使我國重大工程和裝備的可持續發展受到影響。僅2014年我國腐蝕總成本就超過2.1萬億元人民幣，約佔當年GDP的3.34%。

我國寧波材料技術與工程研究所王立平研究員和薛群基院士團隊經過數年技術攻關，成功突破石墨烯改性防腐塗料研發及應用的四大技術瓶頸，開發出石墨烯「防腐外衣」。目前該成果已通過中國腐蝕與防護學會鑒定，關鍵技術指標鹽霧壽命超過6000小時，處於國際領先水平，相關成果已經由寧波中科銀億新材料有限公司實施產業化，目前已定型的八大類產品已經在電力設施、船舶、石油化工裝備等領域實現了規模應用。

石墨烯改性防腐塗料

5、潤滑劑

氟化石墨烯作為石墨烯衍生物，既保持了石墨烯高強度的性能，又因氟原子的引入帶來了表面能降低、疏水性增強及帶隙展寬等新穎的界面和物理化學性能。同時，氟化石墨烯耐高溫、化學性質穩定，表現出類似聚四氟乙烯的性質，被稱之為「二維特氟龍」。氟化石墨烯極強的化學惰性，層間距比石墨更大，在惡劣環境下，將顯示出優異的潤滑性能。