石墨烯材料

石墨烯材料（精选6篇）

篇1：石墨烯材料

石墨烯相变材料的研究

摘要：随着热管理及热存储技术的发展，储热技术逐渐扮演着越来越重要的角色，于此同时寻找高性能的储热材料也成为了研究热潮。近年来，相变材料的发展为储热技术带来了福音，相比于其他热导率低，储热性能差的储热材料，相变材料有着天然的优势。而在相变材料中，石墨烯相变材料是如今发现的储热性能最优异的相变材料，通过将石墨烯作为填充材料，相变材料的储热能力大大提升。

关键词： 热存储 相变材料 储热材料 石墨烯 前言：

在热能的存储和利用过程中，常常存在于在供求之间在时间上和空间上不匹配的矛盾，如太阳能的间歇性，电力负荷的峰谷差，周期性工作的大功率器件的散热和工业余热利用等。相变储能材料通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，可有效解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾。因此，相变储能技术被广泛应用于具有间歇性或不稳定性的热管理领域，如航空航天大功率器件的管理，周期性间歇式电子工作器件的散热，太阳能利用，电力的“移峰填谷”，工业废热余热的回收利用，民用建筑的采暖及空调的节能领域等。近年来，相变储能技术成为能源科学和材料科学领域中一个十分活跃的前沿研究方向。

相变储能材料具有储能密度大储能释能过程近似恒温的特点。但多数相变储能材料存在热导率低，换热性能差等缺点。采用具有高导热，低密度，耐腐蚀和化学稳定性好等优点的碳材料对其进行强化传热，可有效提高系统换热效率。常用的固-液定型相变储能材料实际上是一类复合相变材料，主要是由两种成分组成：一是工作物质；二是载体基质。工作物质利用它的固-液相变进行储能工作物质可以是各种相变材料，如石蜡，硬脂酸，水合盐，无机盐和金属及其合金材料。载体基质主要是用来保证相变材料的不流动性和可加工性，并对其进行强化传热。

石墨烯是一种新型碳材料，它具有由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状紧密堆积结构。它是构建其他维度炭质材料的基本单元。石墨烯本身具有非常高的导热系数，并兼具密度小，膨胀系数低和耐腐蚀等优点有望成为一种理想型散热材料。将石墨烯作为强化传热载体，有可能克服单一相变材料热导率低的缺点，缩短复合体系热响应时间，提高换热效率实现复合材料传热和储热一体化。

本文通过查阅大量文献以及亲自做实验得出了一些数据和结论。正文

1.根据同济大学田胜力、张东、肖德炎、向阳等人2006年在《材料开发与应用》上发表的文章，他们对脂肪酸相变储能材料的热循环行为进行了系统的研究试验。试验选用了化学纯的癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸和棕榈酸等四种脂肪酸为研究对象，利用差示扫描量热技术（DSC）测定了经过56次、112次、200次和400次反复热循环的相变材料的融化温度和融化潜热，加速热循环试验结果显示：癸酸融化温度范围变窄了4℃左右，肉豆蔻酸融化温度范围变宽了3℃左右，月桂酸和棕榈酸的融化温度范围变化不明显，其中以棕榈酸的融化温度变化最小。随着热循环次数的增加，相变材料的融化初始温度和融化潜热变化较小，且是没有规律的。在400次左右的热循环范围内，这些脂肪酸具有较好的热稳定性，有作为潜热储存材料的应用潜力。且此四种脂肪酸的融化温度在30℃到60℃之间，适于用作绿色建筑材料及其他室温范围内的潜热储存过程。考虑到相变材料的使用时间可能更长，因此要测试以上脂肪酸长期作为潜热储存材料的稳定性和可行性，需要更多次数的加速热循环实验来验证。而Ahmet Sari在研究纯度为工业级的月桂酸、肉豆蔻酸、棕榈酸是发现，经过1200次热循环后，这些脂肪酸的融化温度均逐渐降低，降低最大值为6.78℃，并且，脂肪酸的融化温度变宽了。这与上文实验结果有所出入，可能是由于脂肪酸原材料的纯度和产地不同造成的。因此，原料的选取对材料的性能有很大影响。

2.2012年1月20日，中国科学院上海硅酸盐研究所的黄富强等人申请了他们的最新专利：三维石墨烯/相变储能复合材料及其制备方法。三维石墨烯/相变储能复合材料的特征在于石墨烯与相变储能材料原位复合，其中以具有三维结构的多孔石墨烯作为导热体和复合模板，以固-液相变的有机材料作为储能材料和填充剂。可以采用兼具曲面和平面特点的泡沫金属作为生长基体，利用CVD方法制备出具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯材料。通过该方法制备的石墨烯材料完整的复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力，巨大的比表面积，孔隙率和极低密度。并且，这种方法可控性好，易于放大，通过改变工艺条件可以调控石墨烯的平均层数，石墨烯网络的比表面积，密度和导电性。以金属模板CVD法制备的三维石墨烯泡沫具有丰富的孔结构特征，其比表面积高，孔壁孔腔高度连通，为基体材料提供可复合填充的空间。若将三维多孔石墨烯和相变材料复合，相变储能材料被分隔在各个孔腔，与石墨烯壁紧密结合，有效热接触面积大幅度提高，高度连通的石墨烯三维导热网络通道将快速实现系统换热。另一方面多孔石墨烯的毛细吸附力将液态相变储能材料局域化，可有效防止渗透。

3.2012年6月来自于中国科学院能源转换材料重点实验室，上海硅酸盐研究所的周雅娟，黄富强等人发表了一篇名为太阳能材料和太阳能电池的论文，这篇论文重点讲解了他们最新研制出的一种由石墨烯三维气凝胶（GA）和硬脂酸（OA）组成的相变材料。GA是通过石墨烯氧化物在热水表面反应制得，三维石墨烯网络的空隙尺寸只有几微米而且薄壁墙是石墨烯片层堆积而成，OA通过GA的毛细管力牵引下进入到GA中。GA/OA复合材料的热稳定性达到了2.635W/mk，是OA的14倍。GA/OA复合材料的短暂升温和冷却过程是在为热能量存储做准备。GA是一种低密度材料因此在复合材料中仅占15%的比重，这种复合材料能够大大减少或消除材料内部的热电阻，表现出一种高储热的能力，达到181.8J/g，与独立的OA材料非常接近，研究中发现，大多数相变材料的热储存能力都较低，为了提高材料的热传递能力，金属泡沫添加剂进入了专家们的视野，然而他们进一步发现金属泡沫添加剂与原材料不兼容。经过数次实验得出的结论，石墨烯材料具有很好的热稳定性和热传递能力，并且与原材料兼容。由石墨烯片层组成的三维网络结构在相变材料领域有着巨大的潜力。

4.来自于浙江杭州辐射研究所的邢芳，李悟凡等人发表了关于烷烃类相变材料的文章。烷烃及其混合物由于自身的中低温度热能量储存能力已经被广泛应用于相变材料中。在这些烷烃中，熔化温度为37度的二十烷已经出现在诸如电子领域的基于能量储存的被动热管理技术中。为了提高二十烷的热导性，将石墨烯纳米片添加进二十烷这个课题正在试验中。这种复合相变材料是将石墨烯纳米片均匀分布在液体的二十烷中。通过扫描量热计测量它的热融合和融化点，我们发现在10度的时候热传导能力整整增加了4倍，这表明石墨烯纳米片相对于传统的一些填充来说有着更好的表现。石墨烯纳米片的两维平面形态降低了热表电阻，这也是为什么它效果这么好的原因。扩大的石墨烯片层有着高导电性和低密度性，能有效地增强相变材料的热性能。

5.同济大学材料科学与工程学院的田胜力、张东、肖德炎等人利用多孔石墨的毛细管作用吸附硬脂酸丁酯制成了一种定形相变材料的相变温度、相变潜热和热稳定性，得出硬脂酸丁酯含量的临界值。研究表明，硬脂酸丁酯与纳米多孔石墨形成的定形相变材料相变温度合适、相变潜热较大、热稳定性好，是适合于在建筑墙体中使用的相变材料。对不同含量的硬脂酸丁酯/多孔石墨复合材料利用差热扫描仪进行DSC测试显示，相变复合材料的峰值温度为26℃，与纯硬脂酸丁酯的熔点相同，即定形相变材料的熔点不变，为硬脂酸丁酯的熔点。定形材料的潜热随硬脂酸丁酯含量的变化而变化，硬脂酸丁酯含量越高，定形相变材料的相变潜热越大，近似呈线性关系。此定形相变材料的蓄热性能、均匀性和热稳定性好，具有较大的相变潜热，其相变温度在26℃，适合做室温相变材料，有助于建筑节能。此定形相变材料中硬脂酸丁酯的含量又一个渗出临界值，当硬脂酸丁酯质量含量达到90%时，有细微渗出，使用时建议把含量控制在85%以内。这种定形相变材料在经过多次热循环之后其相变潜热变化较小，具有良好的热稳定性。因此，硬脂酸丁酯/多孔石墨相变材料是较好的可应用于建筑墙体的相变材料。

6.2013年，新乡学院能源与燃料研究所的周建伟等人以氧化石墨烯为基质、硬脂酸为储热介质用液相插层法成功制备了硬脂酸/氧化石墨烯相变复合材料。其中以氧化石墨烯维持材料的形状、力学性能，把硬脂酸嵌在片层结构的氧化石墨烯基质中，通过相变吸收和释放能量，提高其储热、导热性能和循环性能。该相变材料具有适宜的相变温度和较高的相变潜热，相变材料与基质具有较好的相容性，在相变过程中没有液体泄漏现象，复合相变储热材料储/放热时间比硬脂酸减少，且热稳定性良好。实验表明，硬脂酸质量分数为40%的硬脂酸/氧化石墨烯复合相变材料的相变温度为67.9℃，相变潜热为289.2J/g。经过连续冷热循环试验发现，复合相变材料的储热/放热时间比纯硬脂酸缩短，相变温度和相变潜热变化较小，表明硬脂酸/氧化石墨烯复合相变材料具有良好的热稳定性和兼容性。因此，通过此方法一方面将硬脂酸局限在片层结构中，解决了相变过程中的渗出泄露问题；另一方面，利用氧化石墨烯良好的热传导性提高复合相变材料的传热效率，弥补了硬脂酸在导热、换热方面的缺陷。

7.2013年10月12日到10月16日，在上海举办的中国高分子学术论文报告会上，四川大学高分子材料科学与工程学院亓国强等人提出了他们的最新成果：聚乙二醇/氧化石墨烯定型相变储能材料的制备与性能研究，研究发现聚乙二醇（PEG）是一种性能优良的固-液相变储能材料。相变过程中会发生熔体流动泄露，故需要对其进行封装，但封装又会降低其热导率，影响工作效率，增加成本。因而加入另一种物质作为支撑定型材料，制备复合定型相变材料成为另一种选择。但通常过高的添加量会严重影响材料的储能性能。于是通过向 PEG 中加入氧化石墨烯（GO）作为定型支撑材料，用溶液共混法在 GO 含量仅为 8%时成功制备了 PEG/GO 定型相变储能材料。该材料在超过熔点一倍时仍保持形状稳定。GO 的加入对相变材料熔点基本没有影响，但在低含量下促进结晶，当含量高于 4wt%时阻碍结晶的进行。相变潜热随 GO 含量的提升有所下降，但在能维持材料定型的最低含量（8wt%）时，仍高达 135 J/g，可以有效应用于储能领域。该材料在经历 200 次升降温循环后，相变温度和相变潜热变化不大，较稳定，具有良好的可重复使用性。

8.远在大洋彼岸，来自于加州大学河滨分校，加利福尼亚大学的Pradyumna Goli, Stanislav Legedza, Aditya Dhar 等人一直在进行关于锂电池的研究。锂电池在在移动通讯和交通动力中扮演着重要角色，但是由于其自身的自加热作用使得使用寿命大大缩短，为了解决这一问题，学者们经过大量实验发现锂电池的可靠性通过将石墨烯作为填充材料能够大大的改善。传统的热管理电池由于其相位只在一个很小的温度范围内变化，减小了电池内温度的上升，故只能依赖于潜在的储热能。而将石墨烯掺入碳氢化合物相变材料中可以将其导电能力提高到原来的两个数量级倍，同时还保持潜储热能力。显热-潜热相结合的热传导组合能够大大地减少锂电池内部温度的上升。储热-热传导的方法即将在锂电池和其他类型电池的热管理领域引领一场变革。

9.2008年4月24日来自于首尔崇实大学工学院建筑系的Sumin Kim a, Lawrence T.Drzal b等人研制出了一种具有高导电性和高储热能力的相变材料。使用剥离的石墨烯纳米片，石墨烯相变材料可以提高在液晶中的高导电性，热稳定性以及潜储热能力。在扫描电子显微镜显示下，石墨烯相变材料均匀分布在液晶中，而良好的均匀分布意味着高导电能力。石墨烯复合相变材料的热稳定能力在石墨烯内部结构的帮助下得到提升。而且，由于相变材料的电热稳定性，石墨烯复合相变材料具备了可持续再生能力。石墨烯相变复合材料在差示扫描热量法的热曲线中有两个峰，第一次在固-固过渡阶段，温度较低，峰显示为35.1度；第二次是固-液相变阶段时温度较高，峰显示为55.1度。石墨烯可以在保有其潜储热能力的情况下提高材料的热稳定性。相变材料具有高储热，低成本，无毒和无腐蚀性等特点而具有美好的前景。最近，一些无机，有机以及它们的混合物正在被应用于相变材料中，成为热门的研究课题。

10.Fazel Yavari等人在2011年也就石墨烯作为改性添加剂改良十八醇相变材料在《Physical chemistry》上发表了文章。和很多有机相变材料一样，十八醇也具有热导率低，换热性能差，以及存在泄漏问题等缺点。Fazel Yavari等人的研究表明，由于石墨烯低密度、高导热的特点，添加很低含量的石墨烯，就可以达到显著提高热导率、改良十八醇的目的。然而由于部分相变材料分子被限制在石墨烯层间空隙中，在工作温度范围并没有发生相变，从而使加入石墨烯后的复合材料的相变焓低于原相变材料，造成储热能力的损失。实验中，当石墨烯含量（质量分数）达到4%时，材料的热导率增加到原来的2.5倍，此时其相变焓只降低了15.4%。而如果用银纳米线代替石墨烯，要达到同等的热导率，需要使其含量达到45%，并带来高达50%的相变焓损失。综合实验表明，相比于其它微型添加材料，石墨烯能在不造成明显储热损失的前提下明显改良有机相变材料的热性能，为通过潜热的储存/释放实现热管理和热保护提供了新的可行性方案。

11.Jia-Nan Shi ,Ming-Der Ger等人2013年在期刊《CARBON》上发表文章，阐述了有关石墨烯提高石蜡导热系数的研究成果。实验另辟蹊径，对比了剥离石墨薄片和石墨烯作为改性添加剂对于石蜡相变材料的不同影响。实验结果表明，剥离石墨薄片带来的热导率增量更高，石墨含量为10%的石蜡/石墨薄片复合材料的热导率为纯石蜡的十余倍。石墨烯表现出了极好的导电性，石蜡/石墨烯的电导率要远高于石蜡/石墨薄片，但是其热导率的增量比石墨薄片小。原因在于，虽然单层石墨烯热导率极高，但是石墨烯片层间微小空隙内存在的大量界面严重阻碍了热传导。同时，实验也发现，石墨烯在定形方面的作用要远过于石墨薄片。石墨含量2%的石蜡/石墨烯相变复合材料中，石蜡能在185.2℃高温下保持形态，这远远超过了石蜡相变的温度范围。而石蜡/石墨薄片复合材料中石蜡只能保持形态到67.0℃。少量的石墨烯和剥离石墨薄片都能作为低成本、高效率的改性添加剂应用于石蜡相变材料的导热和定形方面的改良。

12.马来西亚的Mohammad Mehrali等人对石蜡/石墨烯相变复合材料进行了系统的研究和测试。该项目应用了SEM、FT-IR、TGA、DSC等设备对制得的石蜡/石墨烯复合材料的材料特性和热学性能进行了测试和分析。所测试的石蜡质量分数为48.3%的样品在相变过程中无泄漏现象发生，为定形相变材料。SEM图像显示石蜡嵌入了石墨烯片层间的孔隙。FT-IR分析结果显示石蜡与石墨烯之间没有化学反应发生。试验进行了2500次熔化/凝固热循环检测来确认其热可靠性和化学稳定性。TGA测试结果显示，氧化石墨烯增强了复合材料的热稳定性。该相变复合材料的热导率从0.305(W/mk)显著提升到0.985(W/mk)。测试结果表明，石蜡/氧化石墨烯复合材料具有良好的热学性能、热可靠性、化学稳定性和导热性，很适合做热管理和热储存材料。总结：

相变储能材料，通过材料相变时吸收或释放大量热量实现能量的储存和利用，以其巨大的相变潜热，在未来的能源利用和热管理领域具有很广泛的开发和应用价值。而大多数相变材料存在的导热率抵、换热性能差、相变过程发生泄漏等缺陷使其很难直接被应用于生产生活中。因此，需要一种改性填充材料来增加相变材料的导热换热性能，同时需要对相变材料进行定形和封装。而石墨烯材料的发现和研究成果的公布，给相变材料的研究和应用指明了道路。一方面，石墨烯的高导热性能很好地改善了相变材料的热性能，同时，其良好的化学稳定性和热学可靠性使其作为改性添加剂不与相变材料本体发生化学反应；另一方面，低密度、高强度的石墨烯结构能够使复合材料在较低石墨烯含量下就达到所要求的定形效果，因此，相比其他改性添加剂，石墨烯对相变材料的相变温度、相变潜热和储热能力的减益效果要小得多。正是从这两方面出发，石墨烯作为导热定形的改性材料，在相变储能材料领域得到广泛认可和应用。大量实验采用了以相变材料作为工作物质，通过其相变过程储/放热，同时以石墨烯作为载体基质，增加材料导热性能和不流动性的实验思路进行相变导热材料的设计、制备和改良。相信随着对石墨烯研究的深入和石墨烯制备工艺的进步，石墨烯会以更突出的性能改良相变材料，从而获得更有实践和应用价值的石墨烯/相变复合储能材料，为能源可持续和热管理领域带来更大的发展，为人类创造出更科学、更环保、更舒适的生活环境。

参考文献：

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【9】Sumin Kim a,Ã, Lawrence T.Drzal b Solar Energy Materials & Solar Cells USA Department of Architecture, College of Engineering, Soongsil University, Seoul 156-743, Republic of Korea Composite Materials and Structures Center, College of Engineering, Michigan State University, East Lansing, 2008 【10】Fazel Yavari, Hafez Raeisi Fard, Kamyar Pashayi,etc.Enhanced Thermal Conductivity in a Nanostructured Phase Change Composite due to Low Concentration Graphene Additives[J].J.Phys.Chem.C 2011, 115, 8753–8758.【11】Jia-Nan Shi , Ming-Der Ger , Yih-Ming Liu.Improving the thermal conductivity and shape-stabilization of phase change materials using nanographite additives[J].CARBON,51(2013): 365—372.【12】Mohammad Mehrali, Sara Tahan Latibari, Mehdi Mehrali.Shape-stabilized phase change materials with high thermal conductivity based on paraffin/graphene oxide composite[J].Energy Conversion and Management,67(2013): 275—282.

篇2：石墨烯材料

石墨烯具有良好的强度、柔韧度、导电导热等特性。它是目前为止导热系数最高的材料，具有非常好的热传导性能，所以它被大量运用在全新的采暖行业。

石墨烯的用途：

1、制造下一代超级计算机。石墨烯是目前已知导电性能最好的材料，这种特性尤其适合于高频电路，石墨烯将是硅的替代品，可用来生产未来的.超级计算机，使电脑运行速度更快、能耗降低。

2、制造“太空电梯”的缆线。科学家幻想将来太空卫星要用缆线与地面联接起来，那时卫星就成了有线的风筝，科学家现在终于找到了可以制造这种太空缆线的特殊材料，这就是石墨烯。

篇3：新材料石墨烯

英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·杰姆 (Andre Geim) 在6月19日发表的《科学》杂志上写道:“它是目前已知的世界上最薄的材料, 也是有史以来见过的最结实的材料。”

石墨烯跟钻石一样, 都是纯碳。它由六边形网状原子构成, 通过电子显微镜观察, 它就像蜂巢或者一块细铁丝网。虽然它很结实, 但是柔韧性跟塑料包装一样好, 可以随意弯曲、折叠或者像卷轴一样卷起来。

石墨烯的潜在应用方向包括触摸屏、太阳能电池、能量储存装置、手机和高速电脑芯片。然而杰姆表示, 要用这种材料取代电脑芯片里的基本电子材料硅, 还需要很长时间。5年前他第一个发现如何制成石墨烯。麻省理工学院研究石墨烯的研究人员托马斯·帕拉库斯 (Tomas Palacios) 说:“在这项研究的中期阶段, 石墨烯很难取代硅成为电脑电子的主要材料。硅是一项价值数万亿美元的产业, 完美的硅加工技术已经产生40多年。”

篇4：材料新贵石墨烯

石墨烯，这种硬度为钢的200倍、厚度仅为一个原子直径的神奇物质引发了全球科学家们的“淘金热”。有业内人士如此评价：“如果说20世纪是硅的世纪，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来巨大变化。”

什么是石墨烯？

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，也是目前世界上最薄、最坚硬、最强韧的纳米材料。它有多薄？石墨烯只有0.34纳米厚，粗略估计一下，一根头发丝的直径，大概等于十万层石墨烯叠加起来的厚度，所以用肉眼是看不见它的。它有多硬？如果物理学家能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。它有多强韧？如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须，却可以承受一只猫的重量。

它也是已知的最轻的导体之一，几乎完全透明，只吸收 2.3%的光，就可以让电子触摸屏的亮度达到最佳。常温下，石墨烯电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

比起易碎的硅，石墨烯易弯曲且可拉伸，因为石墨烯的结构非常稳定，其内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲變形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有优秀的导热性，导热系数高达 5300 W/m·K。过去，人们认为钻石的热导率最高，但是石墨烯的热导率是它的2倍。而且石墨烯是目前世界上电阻率最小的材料，导电性是铜的100万倍，它甚至违背了“热胀冷缩”的原理，会随着温度的升高而缩小。

怎样得到石墨烯？

铅笔笔芯的主要成分是石墨。我们能用铅笔写出字来，就是因为石墨层间作用力弱，容易剥离下单层石墨片。所以，我们在作业本上每划一笔，就是剥离了一层或者几层石墨片。这样的剥离存在一个很小的极限，那就是单层的剥离。也就是说，形成厚度只有一个碳原子的单层石墨，这种单层石墨就是石墨烯。

石墨烯一直被认为只是假设性的结构，无法单独稳定地存在。直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地用“微机械剥离法”在实验中从石墨中分离出石墨烯，观测到其形貌，证实它可以单独存在。微机械剥离的方法其实极为简单，把石墨薄片粘在胶带上，把有黏性的一面对折，再把胶带撕开，这样石墨薄片就被一分为二。 通过不断地重复这个过程，片状石墨越来越薄，最终就可以得到一定数量的石墨烯。两人凭借此“二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯的应用

自从安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出石墨烯之后，科学界掀起了一股石墨烯应用研究的狂潮。

2011年4月，IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的晶体管快50%。2011年5月，美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯研制出了一款调制器，他表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟可以下载或传输十部高清电影。2012年3月，美国加州大学洛杉矶分校化学、生物化学教授理查德·卡勒和他的学生马希尔·艾卡迪利用石墨烯为原材料，发明了一种名为微型石墨烯超级电容器的装置。这种装置的充放电速度比现在的锂电池快100倍到1000倍，几分钟就能完成智能手机甚至是电动车的充电。

根据石墨烯强度超大、超薄的特性，它可广泛运用于各个领域，如超薄超轻型飞机材料、像羽毛一样轻的飞船外壳、超轻的防弹衣等。根据其优异的导电性，它有可能会成为硅的替代品，在微电子领域具有巨大的应用潜力，如用石墨烯能制作出几乎不发热的芯片，用来生产超级计算机。而石墨稀更快的电子迁移率，可以使未来的计算机获得更快的速度。

有了石墨烯，未来半导体的材料可能不再是硅，由石墨烯做成的晶体管会让超高速计算机不再是理论设想；塑料可能不再是绝缘体，在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；汽车、飞机和宇宙飞船的外壳可能就是薄、轻、拉伸性好和超强韧的石墨烯材料。这种二维的碳会给世界带来巨大改变，但改变到底有多猛烈、多深远，还没人知道。

篇5：石墨烯材料

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摘要：本书涉及石墨烯的方方面面――历史、基本特征、生产方式以及应用等。本书为从事石墨烯应用行业的读者们提供了学习途径。石墨烯的研究领域宽泛且发展迅猛，此书为读者提供的知识足以使其在石墨烯的研发与应用领域探索前行。

一、本书内容

（一）石墨烯的历史

最初，科学家试着使用化学剥离法来制造石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。还有一些科学家采用化学气相沉积法，将石墨烯薄膜外延生长于各种各样的基板上，但初期品质并不优良。于，英国曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院的两个物理团队共同合作，首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然地发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中，折叠胶带粘住石墨薄片的两侧，撕开胶带，薄片也随之一分为二。不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨烯薄片，而其中部分样品仅由一层碳原子构成――他们制得了石墨烯。当然，仅仅制备是不够的。通常，石墨烯会隐藏于一大堆石墨残渣中，很难紧贴在基板上；所以要找到相当数量的石墨烯，犹如大海捞针。甚至在范围小到1cm2的区域内，使用尖端科技都无法找到。海姆的秘诀是，如果将石磨烯放置在镀有一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光波的干涉效应，就可以有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯。于，同样曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子是无质量迪拉克费米子。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。从那时起，上百位才学兼优的研究者踏进这一崭新领域。现在，众所皆知，每当石墨被刮磨时，像用铅笔画线时，就会有微小石墨烯碎片被制成，同时也会产生一大堆残渣。在/以前，没有人注意到这些残渣碎片有什么用处，因此，石墨烯的发现应该归功于海姆团队，他们为固体物理学发掘了一颗闪亮的新星。

（二）石墨烯的基本特性

石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”的性质和相对论中的中微子非常相似。为了进一步说明石墨烯中的载荷子的特殊性质，我们先对相对论量子力学或称量子电动力学做一些了解。经典物理学中，一个能量较低的电子遇到势垒的时候，如果能量不足以让它爬升到势垒的顶端，那它就只能待在这一侧；在量子力学中，电子在某种程度上是可以看作是分布在空间各处的波。当它遇到势垒的时候，有可能以某种方式穿透过去，这种可能性是0到1之间的一个数；而当石墨烯中电子波以极快的速度运动到势垒前时，就需要用量子电动力学来解释。量子电动力学做出了一个更加令人吃惊的预言：电子波能百分百地出现在势垒的另一侧。另外，研究也发现，尽管只有单层原子厚度，但石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。美国哥伦比亚大学两名华裔科学家最近发现，铅笔石墨中一种叫做石墨烯的二维碳原子晶体，竟然比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。这种物质为“太空电梯”超韧缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门，让科学家梦寐以求的2.3万英里长太空电梯可能成为现实。石墨烯还具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知的力学强度最高的材料，并有可能作为添加剂广泛应用于新型高强度复合材料之中。石墨烯良好的导电性及其对光的高透过性又让它在透明导电薄膜的应用中独具优势，而这类薄膜在液晶显示以及太阳能电池等领域至关重要。另外，石墨烯在高灵敏度传感器和高性能储能器件方面也已经展示出诱人的应用前景。

（三）石墨烯应用前景

1.最有希望从幻想成为现实的应用是可用于手机等装置的柔性电子屏幕。因其电子化学稳定性能以及柔性和透明的特点，石墨烯是最适合制造共扼聚合物发光电池的材料。该技术已获得了初步成功并很快能面向市场。电子巨头三星是众多对该技术感兴趣的公司之一，苹果公司也期望能分一杯羹，但其速度似乎落后于三星。与仅拥有两项专利的苹果相比，三星拥有38项与石墨烯相关的专利技术。在这之前，苹果己经通过使用锢锡氧化物来制造第一款触屏手机。

2.另一项可能的未来应用是制造具备超高机械强度的石墨烯复合材料，用于建筑物、汽车、轮船、渔船、飞机、宇宙飞船及机器人等。如此一来，加来道雄表示石墨烯将改变我们的生活方式的说辞便不足为怪了。

3.另一项未来应用似乎可替代传统的、通过与空气产生共振而发出声音的扬声器。人们发现通过加热处理，石墨烯也能实现相同的功能。因其超薄的特性，石墨烯几乎无需电流便可轻易地产生声波，从而生产出高保真音频扬声器。

二、知识拓展

（一）石墨烯的发展

由于石墨烯的重要特性和巨大应用价值，美国、欧盟、日本和中国等80多个国家皆将石墨烯材料的发展提高到战略高度，相继投入数十亿美元用于石墨烯材料的研究和开发。欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个“未来新兴技术旗舰项目”之一。美国将石墨烯视为支撑未来科技发展的战略性产业。各国企业也积极进行石墨烯产业的布局，据统计，全球有近300家公司涉足石墨烯相关的研究和开发，其中包括IBM、杜邦、洛克希德・马丁、波音、三星、陶氏化学、索尼等科技巨头。

（二）我国石墨烯发展现状与水平

我国政府高度重视石墨烯发展，工业和信息化部、发展改革委和科技部联合发布的《关键材料升级换代工程实施方案》中明确提出支持石墨烯实现批量稳定生产和规模应用。工信部专门印发了《加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。习近平主席在参观英国国家石墨烯研究院时提出：“中英两国在石墨烯研究领域完全可以实现强强联合”.我国石墨烯研发起步相对较晚，但后发展迅速，整体接近国外先进水平，部分领域实现了领先。在基础科研方面，全球石墨烯研究论文超过12万篇，中国占有40%,排名第一；全球专利申请总量为49229件，中国专利申请量为23953件，占比48.65%,排名第一。在石墨烯产业化方面，各级政府也在积极加快产业化步伐，石墨烯薄膜和粉体己实现量产，下游应用正稳步推进。全国石墨烯产业己形成江苏常州、浙江宁波、北京等城市为首的格局。国内江南石墨烯研究院、常州二维碳素、宁波墨西等企业成为石墨烯产业的开拓者。

（三）我国石墨烯产业存在的问题

第一个是技术问题，比如高质量、低成本、绿色制备的提纯技术，以及它的应用技术，自身的安全以及生产的环保性，这些技术都还有待进一步研究。市场问题就是它的研发落后，产业应用技术也缺乏指导，所以市场需求尚未打开。

第二个是石墨烯材料有一个优材低用的问题，就是在下游领域的优材低用。由于现在石墨烯产业正在蓬勃发展，但是这些应用技术门槛低，再加上我们资本市场的一个热捧，所以很多企业都纷纷涉足其中，甚至盲目地扩大产能，对目前产品的低端化、同质化的现象非常严重。能够真正体现石墨烯性能的高端应用却很少。

第三个是成本问题，前期的`研发投入资金量大，周期长，而且石墨烯的这种制备成本，也需要进一步的降低。

第四个是环保问题，石墨烯的制备方法会带来一些环境的影响，造成生态的破坏能力，再加上石墨烯企业环保设施的缺失，政府监管的不到位，所以对环境保护还存在着较大的压力。

（四）石墨烯的发展趋势

1.更快的计算机芯片和宽带。生产电子器件的企业目前正朝着无限缩小其产品尺寸的方向努力。他们致力于把更多的器件放在宽度小于1nm的芯片上。而石墨烯的结晶完整性以及高于硅片的导电性正显示出可在分子水平上生产二极管和晶体管等电子设备的潜力。IBM公司己宣告其生产出晶圆级的石墨烯电路。该电路是一种利用石墨烯中的高速电子实现功能的宽带射频混合器。石墨烯的该种特性有望应用于高频手机传送中，即应用在接收器以及为基站发送信号中。IBM公司生产的石墨烯器件可在150×103MHz的频率下工作，这早己超过了目前手机使用的频率。这一结果有望拓宽手机使用的无线电频谱，增强手机连接信号。

2.超强防弹衣。马萨诸塞大学的研究人员表示，当子弹击中石墨烯后，石墨烯会在子弹撞击点伸长变形成圆锥状，吸收大量的子弹动能。研究人员表示，虽然有裂缝形成，但石墨烯制成的防弹背心对子弹冲击力的吸收能力是凯夫拉防弹衣的两倍多，并且承受动能的能力比钢材高10倍。由于石墨烯薄且拥有超高的机械强度，所以它是最适合制造防弹背心的材料。

3.石墨烯无人机。大疆创新科技有限公司是一家中国的国际化公司。该公司正开发一种多旋翼飞行器形式的石墨烯无人机，将石墨烯用于机身、机翼以及支撑架。该无人机重量轻、刚性大、电池容量大，能实现较快加载且寿命长。然而，由于石墨烯电池还未实现商业化应用，石墨烯无人机还将推迟上市。

三、工程案例分析

（一）高比强度相关领域

由于石墨烯比碳纳米纤维的质地更为坚硬，质量更轻，并能承受金刚石切割器的切削力，科学家正考虑将其应用于制造风力涡轮机叶片、飞轮、飞行器、运输和高功率传输线等。目前，一些利用石墨烯高强度特性的商业应用己投入生产。例如：海德网球拍系列“YouTekTMSPEED”目前己经准备上市，该网球拍的杆涂有原子厚度的碳原子层。

（二）高弹性相关领域

石墨烯具有高电子迁移率和高机械强度，这两大特性适用于制造各种类型的柔性电子线路。此外，石墨烯片也可沉积于聚合物之上作为基底，从而可低成本制造某些电子线路。()目前，有数种装置可实时探测人体肌肉内的汞含量，但它们对汞不具有特异性，因此实时监测还有很大的进步空间。具有高敏感性和高选择性的液态离子封闭场效应晶体管型柔性石墨烯汞适体传感器得以开发。这种基于石墨烯的适体传感器探测时间小于1s.在这种装置中，石墨烯片转移至像聚合物一样的柔性基底上并可用作适体传感器。

（三）电力发电

1.燃料电池。燃料电池的种类繁多，但多是在室温下使用非反应性气体进行工作，换句话说，这些气体不会降解石墨烯，可用于研制燃料电池的电极。

2.太阳能电池。

（四）医疗领域

1.细胞毒性。

2.药物传输。

四、结语

石墨烯被誉为“神奇的材料”,从纳米级的“绿色”科技到传感器，以及未来的导电涂层等方面，都具有极大的应用潜力。可以说，石墨烯的出现不仅给科学家们提供了一个充满魅力与无限可能的研究对象，更让我们对其充满了期待。也许在不久的将来，石墨烯就会为我们搭建起更加便捷与美好的生活。

五、参考文献

[1] Abhilash M.; International J. of Pharma and Bio Sciences, Vol. V1（1）p. 1,

[2] Ahn S.H. and Guo L.; J. Adv. Mater., Vol. 20, p. 2044,

[3] Allen M.J., Tung V. C. and Kanter R. B.; Chem, Rev., Vol. 110, p. 132.2010

作者：玛杜丽・沙伦（Madhuri Sharon）

马赫斯赫瓦尔・沙伦（Maheshwar Sharon）

翻译：张纯辉、沈启慧

篇6：石墨烯材料

1、课题承担单位： 北京大学

2、课题负责人介绍

刘忠范，北京大学化学与分子工程学院教授。教育部跨世纪优秀人才（93）、杰青（94）、长江学者（99）、中国科学院院士（11），中组部万人计划杰出人才（13；六人之一）。北京大学纳米科学与技术研究中心主任，北京市低维碳材料科学与工程技术研究中心主任。主要从事纳米碳材料、二维原子晶体材料和纳米化学研究。曾任国家攀登计划（B）、973计划和纳米重大研究计划项目首席科学家，现任国家自然科学基金“表界面纳米工程学”创新研究群体学术带头人、中国纳米技术产业协会副会长、中国化学会常务理事和纳米化学专业委员会主任。APL Materials、科学通报和化学学报副主编，Adv.Mater.等十余个国内外学术期刊编委或顾问编委。第十二届全国人大代表，九三学社第十三届中央委员和院士工作委员会副主任。1997年获香港求是科技基金会杰出青年学者奖，2007年获高等学校科学技术奖自然科学一等奖，2008年获国家自然科学二等奖，2012年获中国化学会-阿克苏诺贝尔化学奖和宝钢优秀教师特等奖等。英国皇家化学会会士、英国物理学会会士。

3、项目简介

玻璃具有非常悠久的历史，是一种应用广泛的传统材料。当前，形形色色的玻璃遍及我们生活的方方面面，由于其成本低廉，品质优良，在家居、建筑、装饰等领域不可或缺。

石墨烯是近十年来最热门的材料，具有最好的导电性最强的机械强度，最薄的厚度，以及高的透光性，这些特性决定了石墨烯时一直具有光明前景的新型纳米材料。

超级石墨烯玻璃就是将传统的玻璃与新兴的石墨烯薄膜结合在一起，发展出一种新型的特种玻璃。这种新型的石墨烯玻璃将继承玻璃的优良品质，比如化学性质稳定、透光性好，同时赋予玻璃石墨烯的优良品质，比如良好的导电导热性、高的机械强度以及优异的疏水效果。

传统方法制备石墨烯玻璃采用的是转移方法，即在金属基底上生长出石墨烯，然后转移到玻璃上，采用这种方法制备的石墨烯玻璃性质不稳定，而且对石墨烯的各种性能产生了极大的破坏。因此，我们提出了超级石墨烯玻璃计划，即在玻璃表面通过化学气相沉积的方法直接生长高品质的层数可控的石墨烯，一方面增强了玻璃与石墨烯的结合强度，避免了转移带来的损坏，另一方面这种技术可以集成到玻璃生产工艺中，方便快捷，成本低廉，符合大规模工业生产的要求。

4、技术优势

刘忠范院士带领的纳米化学研究中心在碳材料研究领域具有非常丰富的经验，尤其在碳纳米管以及石墨烯研究方面，一直处于国际领先地位，刘忠范院士本人也是国内乃至国际石墨烯研究领域的领军人物。

我们的研究团队规模庞大且经验丰富，早期利用化学气相沉积方法在金属基底生长高品质石墨烯积累了丰富的经验，这些宝贵的技术经验对我们发展石墨烯在玻璃基底上的高品质生长提供了重要指导。

在仪器设备方面，北京大学纳米化学研究中心拥有国内最先进庞大的化学气相沉积设备群，中心现有各类化学气相沉积系统四十余套，以及其它先进的材料测试表征设备，如STM、SEM、TEM、拉曼光谱等，这些都保证了超级石墨烯玻璃的研究能够顺利推动。

我们现在已经成功在各类玻璃表面生长出高品质的石墨烯，相关研究成果相继发表在化学、材料、纳米等领域的顶级期刊JACS、Advanced Materials、Nano Letters、Nano Research等杂志，在国际上引起广泛的关注，目前正与国际上另一知名化学气相沉积石墨烯研究团队Ruoff教授展开相关合作，共同推动超级石墨烯玻璃在机械性能上的研究。

5、应用范围

超级石墨烯玻璃作为一种特殊的玻璃，赋予了玻璃导电、导热、疏水等性质，在生物、汽车、建筑、电子、能源等领域都具有非常广泛的应用前景。

生物方面，由于石墨烯具有很好的生物相容性，可用于细胞培养、生物电极等；由于超级石墨烯玻璃良好的透光导电导热性能，可以在制作成透明导电玻璃，用于汽车和建筑的除雾以及电致变色装置；超级石墨烯玻璃在触摸屏和平板显示方面的应用也非常值得期待；另外，超级石墨烯玻璃可用于光催化。在这些方面，我们已经做出了一些初步的探索，如图二所示。