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石墨烯极具产业化应用领域全面解析

2019-02-11 16:35:38
作者:Matplus
来源: 材料十

石墨烯是一种碳原子单层平面晶体新材料,同时也是特殊的纳米级材料,它最早由科学家在实验室中获得。石墨烯是目前已知的室温下最好的导电和导热材料,也是人类已知强度最高的物质,并且具有极高的透光性与极大的比表面积。

     石墨烯是一种碳原子单层平面晶体新材料,同时也是特殊的纳米级材料,它最早由科学家在实验室中获得。石墨烯是目前已知的室温下最好的导电和导热材料,也是人类已知强度最高的物质,并且具有极高的透光性与极大的比表面积。上述性能让石墨烯能取代原有材料在电子信息、新能源、医疗与航空航天等多种领域发挥更高效的应用,因而石墨烯也被誉为“21世纪的神奇材料”。目前石墨烯在散热材料、柔性触摸面板、微型传感器、芯片材料与锂电池方面已有所应用。


    但是,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,小编带你一起来全面解析。

    1柔性石墨烯显示屏
 
    目前,柔性显示屏多用ITO材料。但随着柔性市场规模的不断扩大,人们对柔性显示的要求也将越来越高。一方面ITO材料脆性高,已不能满足人们对柔性显示器的要求;另一方面,ITO所用到的铟元素,是不可再生元素,未来必将出现资源紧缺。因此急需寻找可完美替代ITO的新材料。
 
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    石墨烯是当前最薄、最坚硬的纳米材料,被公认为21世纪的“革命性材料”。 虽然“出道”时间较短,但是依据其几乎完全透明、极高的比表面积和强度、超强的导电性和柔韧性、极轻薄等优势,使产业界迅速嗅到了石墨烯在柔性显示领域的应用潜力。三星、LG、索尼、辉锐、3M、东丽、东芝等龙头企业纷纷投入大量资金在此布局。

    2010年,三星最早将石墨烯膜作为透明电极应用于3.1英寸电阻触控;2013年1月中国发布了国内首片15 英寸单层石墨烯薄膜,并制备了7英寸柔性墨烯电阻式触控屏;2015年3月,全球首批3万部5.5英寸量产石墨烯手机在重庆面世;2016年,奥翼在世界范围内首次研发成功“石墨烯电子纸显示屏”;2018年2月,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”;2018年3月,有消息称韩国电子通信研究院(ETRI)开发了一种采用透明石墨烯电极的柔性OLED面板……相信随着科研人员和企业的共同努力,未来,石墨烯技术将在柔性电子产品中大量使用。

    目前主要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。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。

    2导电剂
 
    石墨烯作为新型炭材料,有着极其优异的导电性,同时其二维平面结构可以和电极材料形成点面接触,可构建一个广阔连续的导电网络,对解决当前电池充电速度慢和高倍率下循环差的问题有着十分重要的意义。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。在锂离子电池上的应用方面,石墨烯具有非常强的竞争优势,可以直接用作负极材料,与正极材料复合或者直接用作导电剂。目前使用的如导电石墨和炭黑等导电炭材料都是由高度堆积碳层组成,只有最外层才能与活性物质接触并起到导电的作用,而具有超薄性能的石墨烯材料可以大幅提升导电剂的使用效率,只需少量即可构建高效的导电网络。
 
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    导电油墨:导电油墨在各种传统和柔性电子器件的制造中都起着至关重要的作用,高性能的导电油墨应具有一系列优秀的特性,如:导电性优异、对基材粘附力强,可长时间存放。导电油墨主要分为金属系导电油墨和碳系导电油墨等,目前市场上使用最多的是银纳米材料的导电油墨,但其原料价格过于昂贵; 而铜系导电油墨虽然原料价格相对较便宜,但容易被氧化的性质也在一定程度上限制了其应用。目前市售的碳系油墨电阻率普遍偏高。利用石墨烯制备高性能的网版印刷油墨有望获得与银导电油墨相当的导电性、更好的易用性和稳定性,同时降低油墨成本,因而具有广泛的应用前景。

    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。

    石墨烯导热塑料的开发,可以为各种散热需求提供性能更加优异的新型的散热产品,例如各种电子设备(如LED灯)的外壳散热,目前国外已经有厂家开发出了成型的导热塑料并进入市场。飞利浦MASTERLEDMR16新式灯具作为全球首例大功率LED应用,其铝制外壳已经被帝斯曼公司开发出的StanylTC导热塑料所取代,其效果不仅达到了同等级的散热目的,而且整个灯具更轻,耐腐蚀。而石墨烯导热塑料的导热率可从普通塑料的0.2W/mK提高至5-15W/mK,且抗腐蚀,已有BlueStone等公司开发出采用石墨烯导热塑料的大功率LED产品,并显示了优异的散热性能。

    另一方面,石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片,实测的热导率可达到1000W/mK以上,同时膜片具有良好的柔韧性易于加工。而散热薄膜是计算机、手机制造中的关键材料,比如苹果手机目前用的散热膜是用石墨片制成的,因此高性能的石墨烯散热薄膜是如智能手机、平板电脑等高性能、超薄电子产品的理想散热材料。

    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
 
    所周知,材料腐蚀无法完全避免,而且是一个很严重的全球性问题。腐蚀危害遍及日常生活和几乎所有的行业,据统计,全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约 7000亿 -10000 亿美元,约占国家经济总量的 3%-4%,在热带、海洋的环境中材料的腐蚀情况更加严重。石墨烯本身具有的一些超强性能使其在防腐及重防腐领域中起到至关重要的作用。
 
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    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。

    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。

    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。石墨烯产业化,需要有实力的企业带动,需要材料制备企业与下游应用企业协同,进行系统的产品研发。同时,科学界与产业界也要有机结合,以便研发出真正适合市场需要的材料和产品。

    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,陈建君等著。
 
 
 

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责任编辑:韩鑫


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标签: 石墨烯, 产业化应用, 全面解析

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