【原创】石墨烯十大高精尖应用,价值不可估量!


来源:中国粉体网   昧光

[导读]  一文了解石墨烯高端应用市场。

中国粉体网讯 石墨烯的厚度仅为0.35nm,是迄今为止发现的最薄的二维材料。由于石墨烯的结构的特殊性,使得它具有非常优异的力学性能。例如,它的抗拉强度是已知所有材料中最高的,可以达到130Gpa,其导热系数可达4.84×103~5.3×103 W/(m·K),相当于碳纳米管的极限导热系数;其载流子迁移率高达15000cm2·V-1s-1,是目前已知迁移率最高的,可以达到商用硅片的10倍以上。

 

碳同素异形体:石墨烯到富勒烯、纳米管及石墨


近年来,基于石墨烯优异的性能和独特的结构,石墨烯在电子器件、纳米纤维、航空航天、国防、医药、屏蔽材料、导热材料、储能材料、传感器以及其他先进复合材料等领域都得到了广泛的应用。今天,粉体网编辑简要盘点石墨烯在部分高端行业的典型应用与内在价值,大家一起交流、学习。

 

高品质石墨烯


1、国防装备

 

在国防领域的多个方向,石墨烯的潜在应用已经崭露头角,并且制得的先进材料的某些性能已经体现出了颠覆性的优势。

 

由于石墨烯的高强度,作为增强材料,石墨烯可用于多种军事平台的结构材料、装甲材料、身体防护设备等,制得的复合材料优于目前已知的所有增强材料的效果。

 

由于石墨烯独特的电子结构,将石墨烯用于多种电子器件如纳机电系统、场效应晶体管、存储设备、调制器、激光器、战剂传感器、气体传感器、高温传感器等,或用于负载供电设备、智能衣物等,可以颠覆性地改变这些器件或设备应用场景的态势。

 

此外,将石墨烯用于隐身材料、净水材料等,石墨烯也已经显示出了巨大的优势。作为当今备受关注的前沿新材料之一,国际上很多国家也高度重视石墨烯产业发展,从战略层面对石墨烯进行布局。

 

2、热管理

 

高速飞行器、微电子器件等领域热管理的主要作用是将诸如电子元器件中产生的热量快速传递至散热材料,避免其因过高的温度而发生失效。如果器件使用过程中出现了热点,其热通量将远远高于其他区域,因此要求导热材料具有较高的面内热导率。铜、铝等传统的导热材料,由于密度大、热膨胀系数高、易腐蚀、不耐氧化等缺点,难以满足航空航天等极端环境下导热、传热的要求。

 

由于高比表面积、高载流子迁移率及完美的二维平面晶体结构,石墨烯具有优异的面内导热性能,且通过与碳纳米管共价交联有望改善石墨烯厚度方向的导热性能,使其在微电子、航空航天、船舶、高功率武器平台的热管理方面具有重大的战略前沿意义。在室温下的面内热导率高达~5300W/(m·K),石墨烯还具有密度低(<2.2g/cm3)、热膨胀系数小、热辐射率高、高温稳定性好(无氧环境下耐温可达约3000℃)、耐粒子冲击能力强等优点,因此石墨烯是一种理想的可适用于极端环境的高性能热管理材料。

 

3、电磁屏蔽

 

石墨烯基材料因其独特的电磁性能(极高的电子电导和优异的磁学性能)和出众的力学性能(厚度薄且拉伸强度大)而具有超高的理论SE值,是新一代高屏蔽效能、宽频的轻质电磁屏蔽的首选材料之一。研究表明,单层石墨烯在理想情况下可通过吸收损耗衰减电磁波,其电磁干扰屏蔽效能可达到16.5dB,对入射电磁波的屏蔽率为97.8%。

 

由于片层之间的范德华相互作用,石墨烯纳米片会发生不可逆团聚或无序堆积,导致产生较大的接触电阻,电子难以沿平面方向高效传输,限制了其电磁屏蔽性能的发挥,并降低了其力学强度。结构化是抑制自发堆叠与团聚,充分发挥石墨烯高导电性和导热性优势的重要手段。利用还原自组装法、浇注法、化学气相沉积法,使石墨烯基材料通过π-π堆叠成层层有序的薄膜结构,能够大幅提高石墨烯材料的导电性。此外,通过薄膜表面性质与厚度调控能够获得差异化电磁屏蔽能力及适用于不同电磁场景的电磁屏蔽材料。

 

4、柔性电子

 

石墨烯的透光率非常高,其吸收率只有2%,比氧化铟锡的15%~18%要低得多,它不但透射率高,表面电阻小,均匀性好,而且化学性能稳定,硬度大。虽然采用化学方法制备的石墨烯具有较低的导电性,但是其成本低、功能化简单、成膜面积大等特点,使其仍被广泛地用于柔性电子、光电子器件和电路领域;而且这种薄膜具有很好的延展性,即使受到外力的影响,也能维持其优良的性能。

 

研究显示,在经历了25%的变形之后,这种触摸屏仍然具有良好的电学和力学性能。因此,随着石墨烯技术的发展,石墨烯将会取代铟锡氧化物,从而形成一种新型的透明电极。

 

5、传感器

 

由于石墨烯具有大的比表面积、独特的光学性质、优异的导电性、高载流子迁移率和密度、高导热性等,因此石墨烯和传感器是天然的组合。石墨烯的大表面积可以增强所需生物分子的表面负载,其优异的导电性和小带隙有利于生物分子和电极表面之间的电子传导。石墨烯片内的每个颗粒都处于包围条件下,使得石墨烯能够以微米测量充分识别周围环境的变化,从而具有高水平的情感性。石墨烯同样可以在原子水平上区分奇异扰动。

 

石墨烯的大量特性有助于在传感器中的应用。而且适用于不同领域的传感器,包括生物传感器、DNA传感器、化学传感器、气体传感器等等。

 

6、太阳能电池

 

石墨烯具有优良的透光性、高电子迁移性,更低的电阻性,因此它在太阳能电池方面的应用潜力很大。利用石墨烯作阳极,可以从根本上解决目前使用的透光导电极材料存在的低热稳定性、高成本等问题。与常规的单晶硅电池相比,石墨烯太阳能电池的成本大幅下降,成本降低为30%左右。

 

7、超级电容器

 

石墨烯因其比表面积大、柔韧性好、机械性能好、导电性能好等优点,被广泛应用于超级电容电极。目前,在超级电容中,石墨烯的应用主要有两种:一是作为独立的电极材料;二是将石墨烯与金属、金属氧化物、导电高分子等电极材料混合形成复合电极。

 

从石墨烯材料角度总结,石墨烯量子点或粉末可以组装成零维(0D)结构电极材料,石墨烯纤维或纱线可以组装成一维(1D)电极材料,石墨烯薄膜或薄片可以组装成二维)2D)电极材料,与金属氧化物/氢氧化物颗粒或导电聚合物复合形成的网状结构可组装成三维(3D)电极材料。

 

8、半导体

 

场效应晶体管是一种利用电流在输入电路中的电流来控制输出环路的新型半导体器件。目前,许多晶体管采用的电极材料多为金、铝,其电阻大、反应不灵活、资源消耗大、透光率低、不易弯曲和变形。而石墨烯的化学特性和铝类似,既有铝的优势,又克服了铝的缺陷,其化学性能比铝更稳定,电子迁移率也更高,并且与邻近层的材料接触的电阻非常低。高速晶体管沟道较短时,其响应速度也较快。

 

目前,石墨烯场效应晶体管分为两类:底栅型和顶栅型。底栅制作工艺简单,但寄生电容大,不易与其他器件进行集成;顶栅型的特点是:寄生电容很小,易于与其它设备集成。目前,在模拟电路和数字电路中,石墨烯场效应晶体管已被广泛应用。

 

9、医药

 

石墨烯应用于生物医药领域可以进行基因递送、开发生物替代品改善和恢复组织器官的功能。石墨烯基纳米材料在伤口愈合、再生医学、组织和干细胞工程领域找到了新的发展方向,它具有卓越的力学性能(如强度、弹性和柔韧性),适用于平坦表面并影响各种功能。

 

此外,氧化石墨烯、还原氧化石墨烯和石墨烯量子点表现出高表面积,可提供足够的载药能力和生物相容性。

 

10、抗菌材料

 

氧化石墨烯作为一种碳基纳米材料,其本质上是由石墨片剥离而来的一种表面含有羟基(-OH)、羧基(-COOH)和醛基(-CHO)等含氧官能团的二维材料。众所周知,氧化石墨烯可以表现出与传统抗生素不同的抗菌机制,其抗菌作用始于自身与细菌细胞的相互作用,总体可分为细菌细胞膜破坏、氧化应激以及细菌捕获包覆。

 

由于氧化石墨烯独特的抗菌机制,其需要与细菌相互作用引发抗菌性能。因此,在实际应用中氧化石墨烯的抗菌活性会受到一些物理和化学因素的影响,包括形态尺寸、外部环境、使用条件和抗菌助剂等。目前,氧化石墨烯在生物医学、水处理、涂料和纺织等多个领域的抗菌应用材料被广泛应用。

 

结语

 

石墨烯材料在光学、电学、热学和力学等方面的优异特性使其几乎应用到了各行各业,其价值之大不可估量。不过石墨烯制备技术、应用成本依旧有待突破,其价值远远没有开发完。

 

参考文献:

杨松涛,等:石墨烯的制备及应用研究进展,黑龙江科技大学

耿焕然,等:石墨烯基新材料应用研究进展,北京燕华工程建设公司

林少锋,等:石墨烯材料在热管理领域的应用进展,国防科技大学

杨赏娟,等:石墨烯基材料在电磁屏蔽领域的研究进展,清华大学

张为鹏,等:石墨烯的国防应用,西安近代化学研究所

刘军,氧化石墨烯及其复合材料在抗菌领域的研究进展,安徽理工大学

徐海升,等:石墨烯复合材料设计对其电催化性能影响的研究进展,西安石油大学

律海朝,等:石墨烯在电子器件领域的具体应用与特性科普,齐齐哈尔大学

 

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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