石墨烯與新興材料的最新發(fā)展動態(tài)

石墨烯是一種由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個原子厚度。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004 年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010 年諾貝爾物理學獎

新材料研發(fā)周期

多維功能型石墨烯材料主要有吸附、導電導熱功能，成為材料科學、化學及物理學的研究熱點，并廣泛應用于傳感器、電子器件和復合材料等領域和生活當中。

石墨烯量子點演變

石墨烯材料中的零維功能型石墨烯量子點，除了具有石墨烯的優(yōu)異性能，還因量子限制效應和邊界效應而展現出一系列新的特性。

因此吸引了化學、物理、材料和生物等各領域科學家的廣泛關注。

其主要分子演變流程為：

低維石墨烯

低維石墨烯與傳統(tǒng)碳納米管的優(yōu)缺點在于：碳納米管碳雜質高，并且提純難度大，導致成本高，產品本身容易纏結。

而低維石墨烯純度高，導電性能好，成本低，因此現在低維石墨烯逐漸取代了傳統(tǒng)的碳納米管。

石墨烯導電油墨

石墨烯導電油墨主要優(yōu)點有：

v導電率可調，10-5 ~ 500 S·m； v穩(wěn)定性好，無老化問題； v柔韌性好，應用領域廣；

v生產成本低，印刷方便。

應用于印刷線路板、射頻識別、顯示設備、電極傳感器等方面,在有機太陽能電池、印刷電池和超級電容器等領域具有很大的應用潛力。

工作原理如圖：

類石墨烯吸波膜

該類石墨烯主要應用于三星On Cell Amoled面板上，顯示屏的彩色顯示基板和濾光板的應用，不僅解決了色彩不均的問題，還降低了手機厚度。

一維功能石墨烯的制備

石墨烯性能優(yōu)異，在很多領域具有潛在的應用。

然而，石墨烯使用價值實現的前提是大量高質量石墨烯的制備。

石墨烯的經典制備方法有微機械剝離法，化學氣相沉積法，加熱碳化硅法，氧化還原法等。

一維功能型石墨烯主要應用于纖維溶液紡絲，新能源汽車外殼等領域。

二維功能型石墨烯涂層

功能石墨烯涂層大幅提高材料的定向防腐性和導熱率

由于先階段石墨烯本身的性質其分散性很差，其中將氧化石墨烯磺酸化，可以得到水溶性的石墨烯，分散性很好，然后將SO3-作為酸的一種在原位條件下生長聚苯胺，得到SG/PANI。

三維石墨烯/功能型石墨烯三維材料

三維石墨烯多為多孔結構，二維石墨烯多為層狀堆疊結構。

三維石墨烯多用于電極的制備領域，三維石墨烯的多孔方便電極在電極反應的過程中的離子的轉移。

石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構, 它可以翹曲成零維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。

石墨烯三維導電復合材料中，其復合方法分為簡單共混法，雙重保護法，層層組裝法。按照具體應用來使用不同材料混法。

石墨烯應用

1、用于污水處理的石墨烯分離系統(tǒng)

石墨烯可用于污水處理的分離系統(tǒng)。其過濾性能主要就是利用的石墨烯的比表面積以及其吸附性能。通過石墨在離子，分子，大分子等之間的運行軌跡來達到污水處理與分離的功效。

2、功能石墨烯三維膠/氣凝膠材料和應用

3、碳基光電子的封裝技術

激光器件是光通訊應用的關鍵器件之一,在光電子器件的組裝過程中,封裝的費用占了通常制作費用的60～80%。

據預測,在未來3年內光電子器件的市場將以 35～45%的速率增長。光電子器件的封裝和工藝的改進是降低光網絡成本的關鍵。

目前主要封裝技術有光電子封裝的埋藏技術，異質晶片整合技術。

4、碳基材料

目前碳基材料在應用層的應用主要有資訊，文件處理，公共通信，服務運算，家庭照明，穿戴式電子產品，環(huán)境監(jiān)測，智能交通，飛行控制，遠程醫(yī)療等方面。

在材料方面主要是LOC，SOC，SIP，EmbeddedPassive,Plastic Electronic等方面。

石墨烯與高分子材料分類

從下圖我們可以看出高性能聚合物，工程聚合物，傳統(tǒng)聚合物之間的分界線與關系，以及

擠壓紗和涂層的相互關系：

功能石墨烯/聚苯乙烯泡沫材料的應用

聚合物微發(fā)泡材料在汽車輕量化和包裝上的應用

發(fā)泡聚丙烯材料嚴重依賴JSP/BASF的進口材料（3.5-4.0萬/噸），國內市場巨大！需求大量進口，國產材料還無法取代進口！

目前每輛汽車應用的發(fā)泡聚丙烯量為4-6Kg，我國每年汽車用發(fā)泡聚丙烯用量高達6-9萬噸。廣泛用于汽車的內飾件、保險杠、車門板等。

預計2015年，汽車復合材料的用量會達到200萬噸，增長主要來源于汽車產業(yè)的自然增長和已經采用了復合材料的汽車部件的市場份額的增加。

作為替代硅的芯片材料，由于石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快（單層石墨烯中的電子與空穴的載流子遷移率有望在室溫下達到硅的100 倍即20 萬cm2/Vs，這一數值遠遠超過以往被認為載流子遷移率最大的7.7 萬cm2/Vs的銻化銦）因此被期待可用來替代硅，成為更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。

散熱材料領域：由于石墨烯的導熱率（5300W/mok）是常用散熱材料銅的近14 倍，石墨的3.5 倍。石墨烯有希望取代石墨，解決智能手機、計算機的散熱瓶頸，加速其整體性能的提高。

環(huán)保監(jiān)測領域：功能化的石墨烯以及石墨烯的復合材料在污染物吸附、過濾等方面展現了巨大的應用前景。

生物醫(yī)學領域：科學家發(fā)現石墨烯在細胞成像、干細胞工程、藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。

產業(yè)化進程日新月異，實力不容小覷。石墨烯從被發(fā)現到獲得諾貝爾獎只用了短短六年的時間，由它開啟的研究領域呈現了井噴的勢頭，幾乎每個月都有新興的研究方向被開辟出來。2013 年1 月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，十年內提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。IBM、蘋果、三星等巨頭都分別成立了石墨烯專題組，將其作為未來產品柔性化、智能化的核心研發(fā)材料。