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石墨烯極具產業化應用領域全面解析

2019-02-11 16:35:38 作者：Matplus 來源：材料十分享至：

石墨烯是一種碳原子單層平面晶體新材料，同時也是特殊的納米級材料，它最早由科學家在實驗室中獲得。石墨烯是目前已知的室溫下最好的導電和導熱材料，也是人類已知強度最高的物質，并且具有極高的透光性與極大的比表面積。上述性能讓石墨烯能取代原有材料在電子信息、新能源、醫療與航空航天等多種領域發揮更高效的應用，因而石墨烯也被譽為“21世紀的神奇材料”。目前石墨烯在散熱材料、柔性觸摸面板、微型傳感器、芯片材料與鋰電池方面已有所應用。

但是，石墨烯、石墨烯衍生物的產業化應用尚未獲得實質性突破，但石墨烯研究的最終目的是實現石墨烯在下游產品中的市場化應用，并使其獨特的物理化學性質表現出來。從目前各研究成果看，如下幾個領域產業化前景較好，小編帶你一起來全面解析。

1柔性石墨烯顯示屏

目前，柔性顯示屏多用ITO材料。但隨著柔性市場規模的不斷擴大，人們對柔性顯示的要求也將越來越高。一方面ITO材料脆性高，已不能滿足人們對柔性顯示器的要求；另一方面，ITO所用到的銦元素，是不可再生元素，未來必將出現資源緊缺。因此急需尋找可完美替代ITO的新材料。

石墨烯是當前最薄、最堅硬的納米材料，被公認為21世紀的“革命性材料”。雖然“出道”時間較短，但是依據其幾乎完全透明、極高的比表面積和強度、超強的導電性和柔韌性、極輕薄等優勢，使產業界迅速嗅到了石墨烯在柔性顯示領域的應用潛力。三星、LG、索尼、輝銳、3M、東麗、東芝等龍頭企業紛紛投入大量資金在此布局。

2010年，三星最早將石墨烯膜作為透明電極應用于3.1英寸電阻觸控；2013年1月中國發布了國內首片15 英寸單層石墨烯薄膜，并制備了7英寸柔性墨烯電阻式觸控屏；2015年3月，全球首批3萬部5.5英寸量產石墨烯手機在重慶面世；2016年，奧翼在世界范圍內首次研發成功“石墨烯電子紙顯示屏”；2018年2月，魅族手機研發出一款新型全面屏手機，其屏幕組件為石墨烯屏，功能器將位于手機屏下方，大大提升手機屏占比，告別“劉海屏”；2018年3月，有消息稱韓國電子通信研究院（ETRI）開發了一種采用透明石墨烯電極的柔性OLED面板……相信隨著科研人員和企業的共同努力，未來，石墨烯技術將在柔性電子產品中大量使用。

目前主要受限于良品率問題及成本并未得以量產，相信在石墨烯柔性屏工藝獲得突破時，將在電子設備、智能家居等領域得以廣泛應用。就目前來看，柔性石墨烯屏離產業化還有挺大距離，但它的市場價值應該是值得大家期待的。

2導電劑

石墨烯作為新型炭材料，有著極其優異的導電性，同時其二維平面結構可以和電極材料形成點面接觸，可構建一個廣闊連續的導電網絡，對解決當前電池充電速度慢和高倍率下循環差的問題有著十分重要的意義。作為碳族材料可以替代導電炭黑、碳納米管等應用于鋰電池、導電油墨行業，這也是目前石墨烯產業化應用的最現實方向。

鋰電池：石墨烯在鋰電池中的主要作用是可以在一定程度上提高鋰電池的能量密度、降低電池內阻等。在鋰離子電池上的應用方面，石墨烯具有非常強的競爭優勢，可以直接用作負極材料，與正極材料復合或者直接用作導電劑。目前使用的如導電石墨和炭黑等導電炭材料都是由高度堆積碳層組成，只有最外層才能與活性物質接觸并起到導電的作用，而具有超薄性能的石墨烯材料可以大幅提升導電劑的使用效率，只需少量即可構建高效的導電網絡。

導電油墨：導電油墨在各種傳統和柔性電子器件的制造中都起著至關重要的作用，高性能的導電油墨應具有一系列優秀的特性，如：導電性優異、對基材粘附力強，可長時間存放。導電油墨主要分為金屬系導電油墨和碳系導電油墨等，目前市場上使用最多的是銀納米材料的導電油墨，但其原料價格過于昂貴；而銅系導電油墨雖然原料價格相對較便宜，但容易被氧化的性質也在一定程度上限制了其應用。目前市售的碳系油墨電阻率普遍偏高。利用石墨烯制備高性能的網版印刷油墨有望獲得與銀導電油墨相當的導電性、更好的易用性和穩定性，同時降低油墨成本，因而具有廣泛的應用前景。

總而言之，石墨烯作為一種高端導電添加劑是目前最主要和最現實的應用方向。需要注意的是，石墨烯作為導電劑不僅可以應用于鋰電池、導電油墨行業，也可以應用于塑料、橡膠等行業。

3導熱劑

石墨烯具有極高的導熱率和熱輻射系數，單層石墨烯的導熱系數可達5300W/m·K，不僅優于碳納米管、石墨導熱膜等碳材料，更高于鋁、銀等金屬材料，因此石墨烯可以作為導熱劑應用于散熱領域。

石墨烯導熱塑料的開發，可以為各種散熱需求提供性能更加優異的新型的散熱產品，例如各種電子設備（如LED燈）的外殼散熱，目前國外已經有廠家開發出了成型的導熱塑料并進入市場。飛利浦MASTERLEDMR16新式燈具作為全球首例大功率LED應用，其鋁制外殼已經被帝斯曼公司開發出的StanylTC導熱塑料所取代，其效果不僅達到了同等級的散熱目的，而且整個燈具更輕，耐腐蝕。而石墨烯導熱塑料的導熱率可從普通塑料的0.2W/mK提高至5-15W/mK，且抗腐蝕，已有BlueStone等公司開發出采用石墨烯導熱塑料的大功率LED產品，并顯示了優異的散熱性能。

另一方面，石墨烯制成的散熱膜散熱性能會大大優于石墨片，實測的熱導率可達到1000W/mK以上，同時膜片具有良好的柔韌性易于加工。而散熱薄膜是計算機、手機制造中的關鍵材料，比如蘋果手機目前用的散熱膜是用石墨片制成的，因此高性能的石墨烯散熱薄膜是如智能手機、平板電腦等高性能、超薄電子產品的理想散熱材料。

目前的導熱材料售價較低，因而石墨烯作為導熱劑使用面臨的主要問題還是成本，較高的成本直接限制了石墨烯在導熱材料中的應用。

4石墨烯防腐

所周知，材料腐蝕無法完全避免，而且是一個很嚴重的全球性問題。腐蝕危害遍及日常生活和幾乎所有的行業，據統計，全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經濟損失約 7000億 -10000 億美元，約占國家經濟總量的 3%-4%，在熱帶、海洋的環境中材料的腐蝕情況更加嚴重。石墨烯本身具有的一些超強性能使其在防腐及重防腐領域中起到至關重要的作用。

我國寧波材料技術與工程研究所王立平研究員和薛群基院士團隊經過數年技術攻關，成功突破石墨烯改性防腐涂料研發及應用的四大技術瓶頸，開發出石墨烯“防腐外衣”。目前該成果已通過中國腐蝕與防護學會鑒定，關鍵技術指標鹽霧壽命超過6000小時，處于國際領先水平，相關成果已經產業化，目前已定型的八大類產品已經在電力設施、船舶、石油化工裝備等領域實現了規模應用。

5潤滑劑

氟化石墨烯作為石墨烯衍生物，既保持了石墨烯高強度的性能，又因氟原子的引入帶來了表面能降低、疏水性增強及帶隙展寬等新穎的界面和物理化學性能。同時，氟化石墨烯耐高溫、化學性質穩定，表現出類似聚四氟乙烯的性質，被稱之為“二維特氟龍”。氟化石墨烯極強的化學惰性，層間距比石墨更大，在惡劣環境下，將顯示出優異的潤滑性能。

結語

石墨烯及其衍生物作為高端添加劑使用是最多研究及最現實的產業化形態，也是將來一段時間石墨烯產品的主要用途，該用途對石墨烯產品的質量要求相對較低，主要問題是生產成本問題和下游的銜接應用問題。石墨烯產業化，需要有實力的企業帶動，需要材料制備企業與下游應用企業協同，進行系統的產品研發。同時，科學界與產業界也要有機結合，以便研發出真正適合市場需要的材料和產品。

參考文獻1、石墨烯、石墨烯衍生物的幾種產業化形態；山東新華錦石墨材料科技有限公司，陳建君等著。

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責任編輯：韓鑫

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