中國粉體網訊 石墨烯的厚度僅為0.35nm，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料。由于石墨烯的結構的特殊性，使得它具有非常優(yōu)異的力學性能。例如，它的抗拉強度是已知所有材料中最高的，可以達到130Gpa，其導熱系數可達4.84×103～5.3×103 W/(m·K)，相當于碳納米管的極限導熱系數；其載流子遷移率高達15000cm2·V-1s-1，是目前已知遷移率最高的，可以達到商用硅片的10倍以上。
碳同素異形體：石墨烯到富勒烯、納米管及石墨
近年來，基于石墨烯優(yōu)異的性能和獨特的結構，石墨烯在電子器件、納米纖維、航空航天、國防、醫(yī)藥、屏蔽材料、導熱材料、儲能材料、傳感器以及其他先進復合材料等領域都得到了廣泛的應用。今天，粉體網編輯簡要盤點石墨烯在部分高端行業(yè)的典型應用與內在價值，大家一起交流、學習。
高品質石墨烯
1、國防裝備
在國防領域的多個方向，石墨烯的潛在應用已經嶄露頭角，并且制得的先進材料的某些性能已經體現(xiàn)出了顛覆性的優(yōu)勢。
由于石墨烯的高強度，作為增強材料，石墨烯可用于多種軍事平臺的結構材料、裝甲材料、身體防護設備等，制得的復合材料優(yōu)于目前已知的所有增強材料的效果。
由于石墨烯獨特的電子結構，將石墨烯用于多種電子器件如納機電系統(tǒng)、場效應晶體管、存儲設備、調制器、激光器、戰(zhàn)劑傳感器、氣體傳感器、高溫傳感器等，或用于負載供電設備、智能衣物等，可以顛覆性地改變這些器件或設備應用場景的態(tài)勢。
此外，將石墨烯用于隱身材料、凈水材料等，石墨烯也已經顯示出了巨大的優(yōu)勢。作為當今備受關注的前沿新材料之一，國際上很多國家也高度重視石墨烯產業(yè)發(fā)展，從戰(zhàn)略層面對石墨烯進行布局。
2、熱管理
高速飛行器、微電子器件等領域熱管理的主要作用是將諸如電子元器件中產生的熱量快速傳遞至散熱材料，避免其因過高的溫度而發(fā)生失效。如果器件使用過程中出現(xiàn)了熱點，其熱通量將遠遠高于其他區(qū)域，因此要求導熱材料具有較高的面內熱導率。銅、鋁等傳統(tǒng)的導熱材料，由于密度大、熱膨脹系數高、易腐蝕、不耐氧化等缺點，難以滿足航空航天等極端環(huán)境下導熱、傳熱的要求。
由于高比表面積、高載流子遷移率及完美的二維平面晶體結構，石墨烯具有優(yōu)異的面內導熱性能，且通過與碳納米管共價交聯(lián)有望改善石墨烯厚度方向的導熱性能，使其在微電子、航空航天、船舶、高功率武器平臺的熱管理方面具有重大的戰(zhàn)略前沿意義。在室溫下的面內熱導率高達~5300W/(m·K)，石墨烯還具有密度低（<2.2g/cm3）、熱膨脹系數小、熱輻射率高、高溫穩(wěn)定性好（無氧環(huán)境下耐溫可達約3000℃）、耐粒子沖擊能力強等優(yōu)點，因此石墨烯是一種理想的可適用于極端環(huán)境的高性能熱管理材料。
3、電磁屏蔽
石墨烯基材料因其獨特的電磁性能（極高的電子電導和優(yōu)異的磁學性能）和出眾的力學性能（厚度薄且拉伸強度大）而具有超高的理論SE值，是新一代高屏蔽效能、寬頻的輕質電磁屏蔽的首選材料之一。研究表明，單層石墨烯在理想情況下可通過吸收損耗衰減電磁波，其電磁干擾屏蔽效能可達到16.5dB，對入射電磁波的屏蔽率為97.8%。
由于片層之間的范德華相互作用，石墨烯納米片會發(fā)生不可逆團聚或無序堆積，導致產生較大的接觸電阻，電子難以沿平面方向高效傳輸，限制了其電磁屏蔽性能的發(fā)揮，并降低了其力學強度。結構化是抑制自發(fā)堆疊與團聚，充分發(fā)揮石墨烯高導電性和導熱性優(yōu)勢的重要手段。利用還原自組裝法、澆注法、化學氣相沉積法，使石墨烯基材料通過π-π堆疊成層層有序的薄膜結構，能夠大幅提高石墨烯材料的導電性。此外，通過薄膜表面性質與厚度調控能夠獲得差異化電磁屏蔽能力及適用于不同電磁場景的電磁屏蔽材料。
4、柔性電子
石墨烯的透光率非常高，其吸收率只有2%，比氧化銦錫的15%~18%要低得多，它不但透射率高，表面電阻小，均勻性好，而且化學性能穩(wěn)定，硬度大。雖然采用化學方法制備的石墨烯具有較低的導電性，但是其成本低、功能化簡單、成膜面積大等特點，使其仍被廣泛地用于柔性電子、光電子器件和電路領域；而且這種薄膜具有很好的延展性，即使受到外力的影響，也能維持其優(yōu)良的性能。
研究顯示，在經歷了25%的變形之后，這種觸摸屏仍然具有良好的電學和力學性能。因此，隨著石墨烯技術的發(fā)展，石墨烯將會取代銦錫氧化物，從而形成一種新型的透明電極。
5、傳感器
由于石墨烯具有大的比表面積、獨特的光學性質、優(yōu)異的導電性、高載流子遷移率和密度、高導熱性等，因此石墨烯和傳感器是天然的組合。石墨烯的大表面積可以增強所需生物分子的表面負載，其優(yōu)異的導電性和小帶隙有利于生物分子和電極表面之間的電子傳導。石墨烯片內的每個顆粒都處于包圍條件下，使得石墨烯能夠以微米測量充分識別周圍環(huán)境的變化，從而具有高水平的情感性。石墨烯同樣可以在原子水平上區(qū)分奇異擾動。
石墨烯的大量特性有助于在傳感器中的應用。而且適用于不同領域的傳感器，包括生物傳感器、DNA傳感器、化學傳感器、氣體傳感器等等。
6、太陽能電池
石墨烯具有優(yōu)良的透光性、高電子遷移性，更低的電阻性，因此它在太陽能電池方面的應用潛力很大。利用石墨烯作陽極，可以從根本上解決目前使用的透光導電極材料存在的低熱穩(wěn)定性、高成本等問題。與常規(guī)的單晶硅電池相比，石墨烯太陽能電池的成本大幅下降，成本降低為30%左右。
7、超級電容器
石墨烯因其比表面積大、柔韌性好、機械性能好、導電性能好等優(yōu)點，被廣泛應用于超級電容電極。目前，在超級電容中，石墨烯的應用主要有兩種：一是作為獨立的電極材料；二是將石墨烯與金屬、金屬氧化物、導電高分子等電極材料混合形成復合電極。
從石墨烯材料角度總結，石墨烯量子點或粉末可以組裝成零維（0D）結構電極材料，石墨烯纖維或紗線可以組裝成一維（1D）電極材料，石墨烯薄膜或薄片可以組裝成二維）2D）電極材料，與金屬氧化物/氫氧化物顆粒或導電聚合物復合形成的網狀結構可組裝成三維（3D）電極材料。
8、半導體
場效應晶體管是一種利用電流在輸入電路中的電流來控制輸出環(huán)路的新型半導體器件。目前，許多晶體管采用的電極材料多為金、鋁，其電阻大、反應不靈活、資源消耗大、透光率低、不易彎曲和變形。而石墨烯的化學特性和鋁類似，既有鋁的優(yōu)勢，又克服了鋁的缺陷，其化學性能比鋁更穩(wěn)定，電子遷移率也更高，并且與鄰近層的材料接觸的電阻非常低。高速晶體管溝道較短時，其響應速度也較快。
目前，石墨烯場效應晶體管分為兩類：底柵型和頂柵型。底柵制作工藝簡單，但寄生電容大，不易與其他器件進行集成；頂柵型的特點是：寄生電容很小，易于與其它設備集成。目前，在模擬電路和數字電路中，石墨烯場效應晶體管已被廣泛應用。
9、醫(yī)藥
石墨烯應用于生物醫(yī)藥領域可以進行基因遞送、開發(fā)生物替代品改善和恢復組織器官的功能。石墨烯基納米材料在傷口愈合、再生醫(yī)學、組織和干細胞工程領域找到了新的發(fā)展方向，它具有卓越的力學性能（如強度、彈性和柔韌性），適用于平坦表面并影響各種功能。
此外，氧化石墨烯、還原氧化石墨烯和石墨烯量子點表現(xiàn)出高表面積，可提供足夠的載藥能力和生物相容性。
10、抗菌材料
氧化石墨烯作為一種碳基納米材料，其本質上是由石墨片剝離而來的一種表面含有羥基（-OH）、羧基（-COOH）和醛基（-CHO）等含氧官能團的二維材料。眾所周知，氧化石墨烯可以表現(xiàn)出與傳統(tǒng)抗生素不同的抗菌機制，其抗菌作用始于自身與細菌細胞的相互作用，總體可分為細菌細胞膜破壞、氧化應激以及細菌捕獲包覆。
由于氧化石墨烯獨特的抗菌機制，其需要與細菌相互作用引發(fā)抗菌性能。因此，在實際應用中氧化石墨烯的抗菌活性會受到一些物理和化學因素的影響，包括形態(tài)尺寸、外部環(huán)境、使用條件和抗菌助劑等。目前，氧化石墨烯在生物醫(yī)學、水處理、涂料和紡織等多個領域的抗菌應用材料被廣泛應用。
結語
石墨烯材料在光學、電學、熱學和力學等方面的優(yōu)異特性使其幾乎應用到了各行各業(yè)，其價值之大不可估量。不過石墨烯制備技術、應用成本依舊有待突破，其價值遠遠沒有開發(fā)完。
參考文獻：
楊松濤，等：石墨烯的制備及應用研究進展，黑龍江科技大學
耿煥然，等：石墨烯基新材料應用研究進展，北京燕華工程建設公司
林少鋒，等：石墨烯材料在熱管理領域的應用進展，國防科技大學
楊賞娟，等：石墨烯基材料在電磁屏蔽領域的研究進展，清華大學
張為鵬，等：石墨烯的國防應用，西安近代化學研究所
劉軍，氧化石墨烯及其復合材料在抗菌領域的研究進展，安徽理工大學
徐海升，等：石墨烯復合材料設計對其電催化性能影響的研究進展，西安石油大學
律海朝，等：石墨烯在電子器件領域的具體應用與特性科普，齊齊哈爾大學
(中國粉體網編輯整理/昧光)
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權告知刪除!
