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深度探秘“石墨烯”:为什么它能成为新材料之王?

深度探秘“石墨烯”:为什么它能成为新材料之王?

石墨烯是从石墨材料中剥离出来的二维碳材料,按照碳原子层数可分为单层石墨烯、多层石墨烯及石墨烯微片。石墨烯是由碳原子构成的单原子层厚度的二维晶体,其结构片段可自由卷曲得到富勒烯(0 维),碳纳米管(1 维)或堆叠形成石墨(3 维)。

深度探秘“石墨烯”:为什么它能成为新材料之王?

2004 年两位英国物理学家成功从石墨中分离得到石墨烯,并因此荣获 2010 年诺贝尔物理学奖。

石墨烯凭借其独特的结构使其拥有优异的物理化学性能。

在力学方面,石墨烯是人类已知最强最高的物质,其杨氏模量达 1Tpa,与单壁碳纳米管相当。强度约为 180GPa,是普通钢材的 100 倍。此外,石墨烯还具有良好的韧性,单位面积石墨烯 片可承受 4kg 重量,可见其韧性相当于碳纤维的 20 倍;

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深度探秘“石墨烯”:为什么它能成为新材料之王?

在热学方面,石墨烯自身的 导热系数达到 5300W/moK,是室温下最好的导热材料,导热性能是碳纳米管的 1.51 倍,是铜的 13 倍;在电学方面,石墨烯是室温下最好的导电材料,由于其特殊的能带结构使常温下电子运动干扰小,传输质量大幅提高。

石墨烯的电学性能突出表现 在高载流子迁移率及高电流密度,其载流子迁移率达15000cm2/Vos,相当于商用硅片的 10 倍。电流密度耐性为 2 亿 A/cm2,相当于铜的 100 倍。

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石墨烯除具有优异的热学、力学及电学性能外,还具有几类特殊功能如低温吸氢、常温无散射、应变传感等,这使得石墨烯能用于制作吸氢材料、无散射传输器件、应变传感器、双极半导体和类催化剂等。

综合分析石墨烯的各类优异性能及特性,石墨烯将来运用的领域将会十分广阔,且主要集中在电子行业及化工行业,尤其是在电子行业的锂电池电极、触摸屏、超级电容领域和化工行业的涂层、保险、吸附、淡化领域。

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石墨烯的制备方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两类方法。

“自上而下”法是通过剥离石墨材料来制备石墨烯层,如微机械剥离法、氧化石墨还原法、碳纳米管轴向切割法、液相分离法;而“自下而上”法是通过碳原子的重新排列来合成石墨烯,如化学气相沉积法(CVD)、外延生长法、有机合成法等。从目前来看 CVD 法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯,是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。

深度探秘“石墨烯”:为什么它能成为新材料之王?

从石墨烯发现以来世界主要国家不断加大研发支持力度,争抢产业化制高点。

2010 年石墨烯发现者获得诺贝尔物理奖后,全球科技界和工业界竞相关注,截止目前大约有 80 多个国家和地区开展石墨烯及其应用研究。

近两年来,石墨烯产业化方向逐渐清晰,石墨烯研发支持力度不断加大。美国、欧盟及其成员国、日本和韩国等先后从国家战略高度开展相关部署,出台多项支持政策和研究扶持计划。

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随着石墨烯研究的不断深入以及产业化的不断光明,我国也将石墨烯石墨烯作为重点项目,发布多项扶持政策,并在“中国制造 2025”中明确了石墨烯在战略性前沿材料中的重要地位,而在即将发布的新材料“十三五”规划中,也重点明确了石墨烯的发展方向,加码石墨烯扶持政策。


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