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石墨烯材料及其潜在应用

石墨烯材料及其潜在应用

目前,石墨烯材料制备可在实验室实现,但成本居高不下,且存在质量和尺寸问题,需要继续寻找最佳的石墨烯制备方法。

 

石墨烯具有诸多优异特性,开展实际应用的前提是发展大规模、大面积、结构与性能可调控、低成本的批量化石墨烯制备技术,并把它转移到合适的衬底上。目前,石墨烯材料制备可在实验室实现,但成本居高不下,且存在质量和尺寸问题,需要继续寻找最佳的制备方法。

 

各国对石墨烯的研究

 

石墨烯材料在国际上广受关注。2006-2011年,美国国家自然科学基金(NSF)关于石墨烯的资助项目有200项,包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和大规模纳米制造等项目。2008年,美国国防预研局(DARPA)投资2200万美元研发超高速和低耗能的石墨烯晶体管,用于无线通信、网络、雷达和成像等多个领域。

 

欧盟则制订了长期计划,将欧洲各国的石墨烯研究统筹为一个整体,加速商业化进程。2013年1月28日,欧盟委员会将石墨烯列入“未来新兴技术旗舰项目”,10年提供10亿欧元资助。2014年2月,欧盟未来新兴技术(FET)石墨烯旗舰计划发布了首份招标公告和科技路线图。根据路线图,石墨烯旗舰计划将分为初始阶段(2013年10月1日至2016年3月31日,共资助5400万欧元)和稳定阶段(2016年4月开始,预计每年资助5000万欧元)两阶段进行。其研究重点聚焦于化学传感器、生物传感器与生物界面、GRM与半导体器件的集成、面向射频应用的无源组件、硅光子学的集成、高频电子学、光电子学、传感器、柔性电子学等方面。

 

2011年英国将石墨烯确定为今后重点发展的四项新兴技术之一,并宣布将投入5000万英镑支持石墨烯研发和商业化应用研究。

 

2012-2018年,韩国原知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助用于技术研发和应用研究。

 

日本学术振兴机构(JST)从2007年起开始对石墨烯硅材料、器件的技术进行资助;德国于2009年由科学基金会(DFG)开展石墨烯新兴前沿研究项目。

 

在航空领域的应用前景

 

2013年7月,美国空军首席科学家办公室发布了《全球地平线》报告,对美国空军未来的科技发展重点进行了规划,提出美国空军将在未来15年重点加强5个关键技术领域的投入,其中材料科学位列第一。材料科学为空军所有系统提供基础,在电子材料、光学材料、磁性材料等方面将出现较大进展,如纳米光子学与等离子体学的结合将使器件密度和处理速度呈数量级递增。此外,量子计算机和冷原子导航系统的发现发展也将以材料学进步为基础。未来15年,材料学仍将进一步支持小型化和降低成本,满足设计的日益复杂性。其中,石墨烯、碳纳米管以及超材料的制备将是备受关注的领域。石墨烯在航空领域潜在的应用方向有:功能材料、结构部件和储能器件。

 

结构材料

 

目前空客和波音均对石墨烯很感兴趣,将其视为振兴航空工业的法宝。在结构材料方面,完整的石墨烯结构具有很高的抗拉强度和弹性模量,分别达到130GPa和1.0TPa,同时经化学还原的单层石墨烯的弹性模量为0.25TPa。因此在高分子材料中加入少量的石墨烯就能显著地提高高分子材料的抗拉强度和弹性模量。

 

通过开发石墨烯上浆剂,将石墨烯引入碳纤维复合材料界面层,抑制界面层中裂纹的萌生,从而可大幅提高碳纤维复合材料的强度和韧性,扩大其应用范围。当铝基复合材料中加入10%以上石墨烯时,石墨烯铝基复合材料可制备具有轻质、高模量、高强度的高性能结构材料,广泛用于直升机桨毂以及目前铝基复合材料研发所瞄准的各类飞机结构。

 

红外隐身伪装涂料

 

石墨烯用作隐身涂料具有良好前景,比如将等离激元纳米结构用于红外隐身。过去10年,等离激元的许多新应用已显露出来,包括纳米尺度成像设备,集光器、隐身斗篷等。据报道,等离激元纳米结构与各种辐射相互作用,可以非常有效地控制红外辐射的反射/发射,并且表现出改变材料表面辐射率的很大可能性,具有用于红外隐身的巨大潜力。

 

2013年7月,加州大学的研究人员开发出称之为Reflectin A1 (RfA1)的伪装涂料,它通过在石墨烯模板上制备仿生伪装涂层,可实现器件的红外隐身。科研人员利用Reflectin蛋白质制备薄膜,其反射率可动态调整的范围超过600nm,当存在外部刺激时,甚至达到700~1200nm。Reflectin的可调光性能可与人造高分子材料媲美。

 

这些涂层的特性包括:通过薄膜可以改变反射光的波长,被激活时将以不同的路径反射红外光;可通过改变湿度或施加乙酸蒸气来实现开关,改变光的反射路径;这种涂层可以在夜间湿度提高时处于“打开”状态,或通过释放一种化学信号以实现与背景兼容。例如在玻璃基板上沉积5~10nm厚的氧化石墨烯薄膜,然后将RfA1涂层覆于其上,这些薄膜将呈现出鲜明的颜色,而且颜色随薄膜的厚度而变化,例如125nm厚的薄膜是蓝色,207nm厚的薄膜呈橘红色。这种新涂层可以大面积涂敷于的表面结构,从而迈出开发与环境兼容的、可自主调节的、用于军事伪装材料的第一步。

 

在雷达微波隐身方面,石墨烯也具有很强的发展潜力,一系列以单质或复合材料形式存在的碳纳米材料(碳纳米管、石墨烯等)在降低雷达反射面方面表现出极好特性。印度国防研究与发展组织(DRDO)开发了用于雷达的微波吸波涂层以及用于地面装备、航空航天和海军武器的功能性纳米材料/纳米复合材料,以实现上述武器装备的隐身、轻量化及高强度等特性。另外,来自韩国的研究人员报道了一种由石墨烯/凯芙拉(Kevlar)/环氧复合材料的雷达吸波结构的制造方式。该复合材料含有9%石墨烯,验证结果显示,在2.5mm厚度时,在12~18GHz频率范围内的反射信号可衰减10dB以上。

 

其他特种功能材料

 

除隐身材料外,石墨烯还非常适于制作其他各类特种功能材料,如用于制作轻量化电子显示器、轻而薄的机上娱乐系统,并替代混乱的机内布线等。石墨烯树脂涂层可用于隔热、飞机雷击、防腐、雨蚀、冰雹及沙暴侵蚀的防护等,且可将其剪裁成具有不同特性的多功能涂层。例如为克服由机内布线除冰导致的增重及环境污染,2013年,瑞典萨伯公司用0.77mg的石墨烯薄膜材料混入树脂中,将其涂覆于机体及零件表面,然后通电流加热,以达到除冰目的。

 

石墨烯良好的导电性和高透光性使其在透明导电薄膜的应用中独具优势,而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域的应用至关重要。利用石墨烯优异的导热性制作的机载设备散热膜、散热涂料、导热塑料等,可解决目前航空机载设备不断增多、功耗不断增加所带来的发热量增大的问题。此外,可利用石墨烯的力学性能和滑特性制成耐磨涂层,将在自润滑材料(如制作轴承)有应用潜力。

 

值得指出的是,石墨烯在电子信息功能材料方面的应用潜力同样巨大。由于石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率,使用石墨烯作为基质生产的处理器能够达到1THz;用石墨烯材料制造的射频器件可以实现超高速、超低噪声、超低功率的射频电路,对通信、电子战、雷达及其他国防系统将产生重大影响。石墨烯在高性能储能器件方面,也已经展示出诱人的应用前景,可研发基于石墨烯的高能量密度锂电池和超级电容等。

 

类石墨烯材料的应用

 

受石墨烯材料启发,其他二维纳米材料也受到广泛重视,如具有独特性能的二维二硫化钼。因此,石墨烯可能只是二维材料研究的开始,多种结晶相也可以实现二维化。

 

Drexel大学纳米研究所将三维的三元钛铝碳化物(MAX相)改变成为两维结构,从而为二维金属碳化物和/或氮化物的研究及应用打开了大门。MAX相被称为有韧性及可加工的陶瓷类结构,Barsoum实验室经过10年研究,合成出多种具备各类性能的层状碳氮化物。

石墨烯材料及其潜在应用

Drexel大学开发的 MXene 纳米片材。

 

作为层状结构,MAX相变形时其产生扭绞并分层,并且显示出独特的性能,例如,既具有金属一样的导热及导电特性、刚性和强度高,又像陶瓷一样耐热、耐化学腐蚀、抗热震,且易于加工、损伤容限性能好,还具有优异的疲劳、蠕变及抗氧化性。然而,这些陶瓷相总是以三维的形式存在,直到Drexel大学的Michael Naguib在室温条件下将Ti3AlC2粉末放到氢氟酸中,以选择性地移除铝,并通过剥落制备得到二维的Ti3C2纳米片材,被称为MX烯,从而成为类石墨烯家族中的一员。

 

根据以往的知识,金属碳化物和/或氮化物是不能被剥落的,因此这是首次制备出二维金属碳化物。MX烯吸引了广泛的兴趣。最值得注意的是,剥落材料表现出很多石墨烯样的特性。例如,它可以卷成直径小于40nm的纳米管,在储能器件以及复合材料方面具有应用潜力,可以用于锂离子电池、电容器等能量存储器件。另外,黏土和石墨烯类似,它也可作为复合材料增强体,提升力学性能并降低聚合物的气体渗透性;作为金属氧化物,它同时有较大表面积有作为催化剂的潜力。

 

对于二维金属碳化物和氮化物的大家族,下一步将探索这些不同结构的用途,而当前的挑战是如何控制这些二维片材的表面化学特性,因为人们发现改变MX烯表面化学特性会改变其电学性能。目前,有3类与石墨烯类似的二维材料得到重视:一是二维的硅-硅烯,由于其可采用成熟的半导体技术来制备,因而较石墨烯更易于整合进现有电子学研究;二是二维的硼,该材料具有相当大的蕴藏量;三是由氧化钼晶体制成的二维层状物,具有激发自由电子流动的优异性能,被认为是最有希望用于下一代高速电子学的材料。

 

除了石墨烯以外,石墨炔是石墨家族的新成员,而随着科学家对石墨炔研究的深入,发现它具有极强的导电能力以及多种几何形态,其性能较石墨烯更好,用途将更加广泛。

 

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