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石墨烯及其衍生物的几种产业化应用
2018月03月19日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:539
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有“人类最强晶体”之称的石墨烯于2004年被发现,成为了目前已知最薄最轻,强度最高,韧性最好,导电、导热性最佳,透光率最高的材料。从而成为目前世界上最受关注的新材料,不仅受到资本市场的强烈关注还受到政府、企业和研究结构的青睐。下文将对石墨烯及其衍生物极具产业化应用前景的几个领域做一个简单的分析。

一、石墨烯特性及产品外观形态

1、石墨烯独特的理化性质

导电速度极快:在室温下,它的导电速度要比其它的物质快许多,比如比硅要快250倍;

超硬超强:石墨烯是目前已知强度最高的材料,130GPa,比金刚石还坚硬,硬度比世界上最好的钢铁高 100 多倍;

导热能力超:强石墨烯具有非常好的热 传导特性,纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高 达 5300W/m·K,是金刚石的 3 倍,铜的10倍;

超级透明:石墨烯具有非常好的光学特性,它在较宽波长范围内吸收率为 2.3%,即透过率为 97.7%,几乎是透明的;

超强吸附能力:石墨烯具有巨大的比表面积,理论比表面积为2630m2 /g,因此具有优异的吸附性能。

如果把厚度相当于人的头发丝直径十万分之一(约为0.34nm)的石墨烯,叠成保鲜膜那样厚(零点几毫米),需要一头大象站在一只铅笔上所产生的压强,才能刺破它。

2、产品状态

市场上的石墨烯、石墨烯衍生物从外观形态上看,分为石墨烯粉体、石墨烯薄膜、石墨烯溶液三种形态。其中石墨烯粉体和石墨烯薄膜属于单层或多层石墨烯微片,石墨烯溶液多为石墨烯衍生物,例如:氧化石墨烯、氟化石墨烯。粉体多呈银灰色柳絮状,薄膜为无色透明,溶液由于产品种类不同或引入的官能团不同颜色也不同。

石墨烯粉体及用途

二、石墨烯极具产业化应用前景的几个领域

目前,石墨烯、石墨烯衍生物的产业化应用尚未获得实质性突破,但石墨烯研究的最终目的是实现石墨烯在下游产品中的市场化应用,并使其独特的物理化学性质表现出来。从目前各研究成果看,如下几个领域产业化前景较好。

1、柔性石墨烯显示屏

伴随着柔性屏、全面屏及屏下指纹识别等“热风”,石墨烯材质屏幕因拥有高透光率、低电阻率、耐摔耐撞及可弯曲等特性而受到关注,但目前受限于良品率问题及成本并未得以量产,相信在石墨烯柔性屏工艺获得突破时,将在电子设备、智能家居等领域得以广泛应用。

可随意弯曲的柔性显示屏,让科技的脑洞全面打开

备注:目前普遍用于有机LED(OLED)显示器透明电极的稀有且昂贵的氧化铟锡(ITO),石墨烯(graphene)可以提供成本更低、更薄、速度更快的替代方案,从而规避ITO短缺的问题,并为柔性显示器的开发铺平道路。

最近,一个发明专利公布显示,魅族手机研发出一款新型全面屏手机,其屏幕组件为石墨烯屏。功能器将位于手机屏下方,大大提升手机屏占比,告别“刘海屏”。就目前来看,柔性石墨烯屏离产业化还有挺大距离,但它的市场价值应该是值得大家期待的。

魅族科技-石墨烯柔性屏幕手机专利

2、导电剂

石墨烯具有优异的电子传导性能,其电导率可达106 S/m,面电阻仅为30Ω/m2,性能超过已知最好的导体银和铜。作为碳族材料可以替代导电炭黑、碳纳米管等应用于锂电池、导电油墨行业,这也是目前石墨烯产业化应用的最现实方向。

锂电池:石墨烯在锂电池中的主要作用是可以在一定程度上提高锂电池的能量密度、降低电池内阻等。传统的锂离子电池导电剂,如炭黑,碳纤维等,与活性物质的接触是点—点接触,限制了导电作用的发挥,增加了导电剂添加量。而石墨烯是片状结构,与活性物质的接触为点—面接触,可以最大化的发挥导电剂等作用,减少导电剂的用量,提升锂离子电池的能量密度。

导电油墨:目前,导电油墨中使用导电性最好的填料是银粉和铜粉,由于金、银等贵金属制成的导电油墨价格昂贵,应用范围受到一定限制。相比之下,碳系导电油墨具有成本低、性能稳定、不需要太多印后处理步骤、与喷墨打印方式兼容等优点,因而具有广泛的应用前景。

石墨烯导热油墨

基于石墨、碳粉的导电油墨尽管价格低廉,但是其存在导电率低、容易固化收缩导致油墨层开裂等先天不足之处。而石墨烯具有更大的比表面积,更为优异的电子传导性能,且在 10~100 K 范围内并未表现出温度的依赖性,因此受到更多的关注并取得了一定的应用性突破。

    总而言之,石墨烯作为一种高端导电添加剂是目前最主要和最现实的应用方向。需要注意的是,石墨烯作为导电剂不仅可以应用于锂电池、导电油墨行业,也可以应用于塑料、橡胶等行业。

3、导热剂

石墨烯具有极高的导热率和热辐射系数,单层石墨烯的导热系数可达5300W/m·K,不仅优于碳纳米管、石墨导热膜等碳材料,更高于铝、银等金属材料,因此石墨烯可以作为导热剂应用于散热领域。鉴于石墨烯优异的导热性、轻薄性、可折绕性,石墨烯最具可行性的应用是作为电子产品、LED 灯等的散热材料,用以代替铝合金等金属导热材料。

石墨烯不仅可以直接制备成石墨烯薄膜作为导热材料用,更可以作为导热添加剂加入到石墨膜、塑料、橡胶、手机锂电池中。目前的导热材料售价较低,因而石墨烯作为导热剂使用面临的主要问题还是成本,较高的成本直接限制了石墨烯在导热材料中的应用。

4、石墨烯防腐

腐蚀是新兴海洋工程、海岛工程等领域装备、设施安全性和服役寿命的重要影响因素之一,尤其热带海洋开发和基础设施建设,面临着严峻的腐蚀危机,使我国重大工程和装备的可持续发展受到影响。仅2014年我国腐蚀总成本就超过2.1万亿元人民币,约占当年GDP的3.34%。

我国宁波材料技术与工程研究所王立平研究员和薛群基院士团队经过数年技术攻关,成功突破石墨烯改性防腐涂料研发及应用的四大技术瓶颈,开发出石墨烯“防腐外衣”。目前该成果已通过中国腐蚀与防护学会鉴定,关键技术指标盐雾寿命超过6000小时,处于国际领先水平,相关成果已经由宁波中科银亿新材料有限公司实施产业化,目前已定型的八大类产品已经在电力设施、船舶、石油化工装备等领域实现了规模应用。

石墨烯改性防腐涂料

5、润滑剂

氟化石墨烯作为石墨烯衍生物,既保持了石墨烯高强度的性能,又因氟原子的引入带来了表面能降低、疏水性增强及带隙展宽等新颖的界面和物理化学性能。同时,氟化石墨烯耐高温、化学性质稳定,表现出类似聚四氟乙烯的性质,被称之为“二维特氟龙”。氟化石墨烯极强的化学惰性,层间距比石墨更大,在恶劣环境下,将显示出优异的润滑性能。

二硫化钼锂基润滑脂

备注:目前市场上的固体润滑剂主要是二硫化钼和石墨,但这两种固体润滑剂在还原性条件与真空中润滑效果会明显下降。

结语

结语石墨烯及其衍生物作为高端添加剂使用是最多研究及最现实的产业化形态,也是将来一段时间石墨烯产品的主要用途,该用途对石墨烯产品的质量要求相对较低,主要问题是生产成本问题和下游的衔接应用问题。此外,随着智能设备的不断发展及进步,石墨烯应用于制备柔性显示屏也是一个极具产业化前景的方向。

参考文献

1、石墨烯、石墨烯衍生物的几种产业化形态;山东新华锦石墨材料科技有限公司,陈建君等着。

作者:粉体圈小白


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