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新材料系列之——石墨烯

提到石墨烯,相信大家已经不陌生了,我们经常能在各种文章中窥得它的身影。石墨烯自2004年诞生至今已经在各个领域不断渗透,被认为是一种未来革命性材料。石墨烯拥有诸多优异性能,如电学、热血、机械性能等;可广泛应用于各领域,如生物医学、航空航天、材料学等领域。就目前而言,石墨烯主要应用于复合材料和能源上,此外在过滤净化、储能材料等领域也有部分应用,其中石墨烯复合材料可以说是现在科研竞争十分激烈的领域!

新材料系列之——石墨烯

在塑料方面,石墨烯的产业化及研究方向主要在:防静电功能塑料、导热功能塑料、高强度塑料、高气体阻隔塑料、高离子选择透过塑料膜五方面。结合了石墨烯优点的新型塑料,凭借其卓越的性能,打破了传统工业中材料使用的限制,使塑料产业迎来新的利润增长点,石墨烯复合塑料也因此被人们广泛看好。接下来让我们简单了解一下石墨烯与石墨烯塑料之间的关系:

1、导电性-防静电

石墨烯材料具有非常好的导电性,此前英国曼彻斯特大学的国家级石墨烯研究所曾研制出一款“石墨烯灯泡”,它的灯外层涂有石墨烯,能够延长灯泡的使用寿命且减少10%能耗。另外,在我们的认知里,塑料是绝缘体,具有高电阻,但随着石墨烯的加入,这种思维将被打破。石墨烯与塑料基体结合后,使塑料的表面电阻降低,并且具有了导静电功能。据悉,在2016年,世界首条石墨烯导静电轮胎生产线已于我国山东青岛正式投产运行。

2、导热性-散热性

普遍来讲,塑料的热导率较差,仅0.1-0.5W/m·K,但石墨烯塑料的热导率可达到5-10W/m·K。以LED灯具散热材料领域为例,目前金属材料在该领域应用方面正面临难回收、能耗大、易变形等多种难题,石墨烯导热材料相对较轻,并且兼具散热均匀、造型灵活等优点,正引起科学界广泛关注,并且根据估计,将石墨烯塑料应用在LED灯具上或可节省成本达30%以上。另一值得我们关注的是,关于5G的科研和应用正如火如荼,就目前而言,三星、华为等退出啊5G概念机的手机厂商已搭载石墨烯散热设计,我们可以期待未来石墨烯材料的高散热性将会在5G领域大显身手。

3、高机械性能

石墨烯具有出色的机械性能,力学拉伸强度能达到130GPa,而这一优势也投射到石墨烯塑料上。高强度且轻质量的特性使得石墨烯塑料在许多专业领域拥有更广阔的使用空间,如航空航天、汽车制造等。值得一提的是,目前汽车轻量化趋势之下,石墨烯增强材料可以代替原本汽车使用的金属材料,保证车用材料与原来相比具有相同或更高的机械性能且有效降低汽车的整体重量。

4、高阻隔性

石墨烯的碳原子以蜂窝形结构紧密结合在一起,而石墨烯塑料继承了石墨烯的这一特性,网格结构延长了气体扩散的路径,对水汽和气体有良好的阻隔性。在密封包装领域,石墨烯塑料比传统塑料拥有更大潜力,例如在水敏感材料及设备的保存上,石墨烯包装材料能够有效减少水汽带来的损失,据相关机构实验数据证实,在加速老化实验下,传统普通塑料包装可以维持30分钟有效隔绝效果,而石墨烯塑料包装能维持1年左右。

5、离子选择透过

石墨烯在过滤净化方面拥有很强的能力,此前曼彻斯特大学研究人员开发出了用以净化污水的可扩展的石墨烯薄膜、生产核用重水的石墨烯膜原型,澳大利亚联邦科工组织(CSIRO)的科学家也开发出用以水纯化的新型石墨烯滤膜。石墨烯的紧密结构能够允许水分子通过,从而阻挡其他有害物质。而通过表面改性后的智能材料也可以用于分离不同性质的液体,如实现水油分离。相比传统过滤净化方式,石墨烯材料的净化程序更加简单,有良好的应用前景。

除上述领域之外,石墨烯材料在半导体、触摸屏、储能电池、导电油墨等领域也炙手可热,如石墨烯芯片、用于电子产品的柔性触控屏幕、石墨烯和聚氨酯材料结合制作的超级电容储能材料等一系列应用已经陆续面世,各国都在石墨烯相关应用领域互相角力。未来在国际竞争上,科研实力将占据一席之地,我国是石墨烯的储能大国,石墨烯材料的逐渐兴起,不仅对我国科研方向提供了发展空间,也是我国进一步加强科技强国战略的有利条件。

结语

石墨烯被发现至今虽时间不长,但它的诞生对人类的生产生活产生的影响却是非常可观的。目前石墨烯产业尚处于初期阶段,在应用上仍有诸多难题需要突破。但是随着科研的逐步深入,石墨烯材料的应用领域会更加广阔,我们拭目以待!

资料参考:OFweek半导体照明网、IT之家、前瞻产业研究院、新材料在线

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