石墨烯及其在陶瓷中的研究現(xiàn)狀與前景分析

江期鳴，黃惠寧，何乾，戴永剛

（廣東金意陶陶瓷集團(tuán)有限公司，佛山528031）

石墨烯及其在陶瓷中的研究現(xiàn)狀與前景分析

江期鳴，黃惠寧，何乾，戴永剛

（廣東金意陶陶瓷集團(tuán)有限公司，佛山528031）

石墨烯以其在力、熱、光、電和磁等方面具有的優(yōu)異物化性能和獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)成為國內(nèi)外材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文主要介紹了石墨烯結(jié)構(gòu)、石墨烯性質(zhì)、石墨烯制備方法、石墨烯表征方法、石墨烯復(fù)合材料的分類、石墨烯的問題及其應(yīng)用，并對國內(nèi)外石墨烯及其在陶瓷中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評述，同時(shí)，分析石墨烯及其在陶瓷中的發(fā)展前景。

石墨烯；陶瓷；復(fù)合材料；研究現(xiàn)狀；發(fā)展前景

（上續(xù)2017年第11期第7頁）

4 石墨烯及其在陶瓷中的發(fā)展趨勢分析

目前，石墨烯在全球范圍都引起了高度關(guān)注。依據(jù)產(chǎn)品屬性，石墨烯產(chǎn)業(yè)被分為上游、中游與下游三大塊。上游是石墨開采與烴類物質(zhì)加工等原材料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)。中游是石墨烯粉體、薄膜等產(chǎn)品的生產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)。下游是材料、電子、生物醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域的石墨烯應(yīng)用。因此，對于石墨烯及其在陶瓷中的發(fā)展趨勢可以從以上三部分進(jìn)行分析。

4.1 石墨烯的原材料產(chǎn)業(yè)

依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局調(diào)查稱，我國石墨儲量是世界總儲量的33%，居世界第二，2.6億噸礦儲已證實(shí)，預(yù)估潛在還有18.7億噸。另外，我國目前是世界第一大石墨生產(chǎn)國與出口、消費(fèi)國?，F(xiàn)今，中國有石墨礦山194座，其中分別有40座大型，19座中型，135座小型礦山，集中在內(nèi)蒙古、黑龍江、河北和山東等地。因此，從以上信息可以看出，石墨烯的原材料供應(yīng)還是十分充足的，這對整個(gè)石墨烯市場及其應(yīng)用化非常有利。

4.2 石墨烯的生產(chǎn)加工產(chǎn)業(yè)

按照BCC Research研究預(yù)測，世界石墨烯市場規(guī)模在2018年將會有1.95億美元，至2023年則會超13億美元。但因?yàn)榧夹g(shù)不成熟和成本高等限制，至今中國石墨烯行業(yè)還未能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國家政策體系也在逐漸完善。但按照當(dāng)前市場預(yù)估，國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)化會迅速得到發(fā)展。依據(jù)中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟提供的數(shù)據(jù)表明：全球石墨烯市場到2020年會超1000億元，新能源行業(yè)所包括的鋰電池與超級電容市場將超534億元，中國將會占50～80%的比例。

但目前因石墨烯生產(chǎn)過程尚未完善，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定也就無法統(tǒng)一。石墨烯其實(shí)是一大類多功能材料的統(tǒng)稱，同時(shí)存在很多的形式，例如粉體、漿料、薄膜等。但不同形式特點(diǎn)都有差異，比如有些可導(dǎo)電的，而其它則是絕緣的。另外，因生產(chǎn)商、原材料以及生產(chǎn)工藝不同，致使所制備的石墨烯性質(zhì)、質(zhì)量也有差異。且即便選擇了適宜的的石墨烯材料與生產(chǎn)商，但仍可能會獲得不一致的石墨烯，同一生產(chǎn)商不同批次的石墨烯會有波動，同一批次的石墨烯也可能會有不同。對于石墨烯材料的寬廣定義，規(guī)范石墨烯的標(biāo)準(zhǔn)就顯得格外重要。標(biāo)準(zhǔn)的缺乏會使得石墨烯間產(chǎn)生混淆，且會嚴(yán)重影響推進(jìn)商業(yè)化，標(biāo)準(zhǔn)化將保證石墨烯的性質(zhì)與質(zhì)量，以及其應(yīng)用化進(jìn)程。

4.3 石墨烯及其在陶瓷中的應(yīng)用

相對于石墨烯本身而言，石墨烯的制備方法，制造成本、生產(chǎn)質(zhì)量限制了其在下游產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用；對于石墨烯制備機(jī)理方面，需從分子與原子角度研究石墨烯與各組分的形成機(jī)制、形核、生長過程等的化規(guī)律；從微觀上加強(qiáng)石墨烯表面功能化與制備其復(fù)合材料的熱力學(xué)和動力學(xué)的研究。深入研究石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)性能和制備過程間的關(guān)聯(lián)，為優(yōu)化石墨烯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與制備方法提供理論依據(jù)。另外，石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制應(yīng)得到實(shí)現(xiàn)。

從石墨烯在陶瓷中的應(yīng)用研究角度出發(fā)，對于石墨烯陶瓷復(fù)合材料的性質(zhì)會受到原料選擇、成分配比、制備方法和工藝參數(shù)等的影響，所以，需加強(qiáng)以下方面的研究：拓展石墨烯陶瓷復(fù)合材料的種類和應(yīng)用范圍，優(yōu)化石墨烯陶瓷復(fù)合材料的制備方法，研究石墨烯和陶瓷間互相作用所產(chǎn)生的獨(dú)特性質(zhì)，同時(shí)對兩者間作用機(jī)理進(jìn)行探討，并經(jīng)過理論模擬，為有關(guān)研究成果提供理論依據(jù)，以便控制復(fù)合材料性能。另外，當(dāng)今關(guān)于復(fù)合材料的研究大多都聚焦在力學(xué)性能上，而摻入石墨烯對陶瓷電、熱和磁性能方面的改善研究很少，希望以后的研究會更加全面完善。

另外，從石墨烯的原材料和生產(chǎn)加工分析來看，石墨烯的應(yīng)用，特別是在陶瓷中的實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)該考慮以下幾方面。

4.3.1石墨烯陶瓷復(fù)合材料關(guān)于石墨烯基礎(chǔ)原材料的選擇

在制備石墨烯陶瓷復(fù)合材料時(shí)，需根據(jù)所需的特性選擇不同形式石墨烯原材料，例如漿料、粉體、薄膜等不同形式石墨烯，亦或選擇側(cè)重于導(dǎo)熱、導(dǎo)電、增韌等不同性質(zhì)石墨烯。

4.3.2石墨烯原料一致性和標(biāo)準(zhǔn)的控制

因?yàn)楝F(xiàn)在石墨烯原料的一致性還較難控制，當(dāng)制備石墨烯陶瓷復(fù)合材料時(shí)，要先做足準(zhǔn)備，來確保實(shí)際應(yīng)用參數(shù)，且預(yù)估材料的變化，同時(shí)提前設(shè)計(jì)應(yīng)對方案。

4.3.3成本和利潤的考慮

碳本身大量存在，石墨烯價(jià)格也應(yīng)會適宜。但是，由于制備工藝與生產(chǎn)量局限等原因，導(dǎo)致現(xiàn)在其價(jià)格很高，市場價(jià)格1 RMB/g的產(chǎn)品，大多數(shù)還都是5～10層，客觀上只算薄片石墨而稱不上石墨烯，而真正的單層石墨烯價(jià)格還會高很多。石墨烯要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需依靠下游行業(yè)的剛性需求，同時(shí)石墨烯制備成本首先要降到0.1 RMB/g以下，但這是個(gè)漫長的過程，初始材料成本依舊十分高。值得一提的是運(yùn)輸與儲存是石墨烯項(xiàng)目成本和可行性的重要方面應(yīng)引起重視，類型不同的石墨烯對儲存與運(yùn)輸條件要求會有差異。目前石墨烯項(xiàng)目，雖然研究與應(yīng)用正在逐步進(jìn)行，但是石墨烯的商業(yè)化還未能完全實(shí)現(xiàn)，利潤可能還無法達(dá)到預(yù)期。

5 結(jié)論

5.1 石墨烯產(chǎn)業(yè)全球初步化

現(xiàn)在，美、英、日等八十多個(gè)國家已投入了石墨烯材料的研究應(yīng)用，少數(shù)已明確產(chǎn)業(yè)化方向并開始形成產(chǎn)業(yè)鏈，這預(yù)示著石墨烯產(chǎn)業(yè)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期。

5.2 國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)群逐漸成型

中國石墨烯項(xiàng)目聚集區(qū)域主要是四個(gè)：珠江三角洲地區(qū)、長江三角洲地區(qū)、京津冀區(qū)域與山東地區(qū)，其它地區(qū)也正在逐漸形成獨(dú)特的區(qū)域性石墨烯產(chǎn)業(yè)集群。

5.3 我國石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)僅處研究階段

雖然中國有關(guān)于石墨烯的論文與專利數(shù)量上都已占據(jù)世界領(lǐng)先位置，但具有原創(chuàng)性、突破性的研究成果十分少，市場也十分無序。有關(guān)石墨烯產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀還僅停留在研究階段，離實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還是有很大的差距。

5.4 石墨烯陶瓷復(fù)合材料國內(nèi)外研究甚少

國內(nèi)外對石墨烯復(fù)合材料的研究主要聚焦于石墨烯改性聚合物，而石墨烯無機(jī)納米復(fù)合材料相關(guān)研究相對甚少，制備方法和原理思路都是借鑒前者，石墨烯陶瓷復(fù)合材料則更少。

5.5 石墨烯可顯著提升陶瓷材料性能

石墨烯在陶瓷基體中可均勻分散，而且石墨烯優(yōu)異的物化性能，可明顯提升石墨烯陶瓷復(fù)合材料的機(jī)械、電學(xué)與熱學(xué)等性能，陶瓷的脆性、絕緣性等性質(zhì)能得到完全改變，最終獲得具有特殊性能的結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷復(fù)合材料。

5.6 石墨烯陶瓷復(fù)合材料目前主要研究體系

石墨烯陶瓷復(fù)合材料當(dāng)前集中研究的體系主要包括氧化物、氮化物和碳化物體系等。

5.7 石墨烯陶瓷復(fù)合材料需系統(tǒng)化研究

現(xiàn)在關(guān)于石墨烯復(fù)合材料的研究大多都聚焦在力學(xué)性能上，而摻入石墨烯對基體電、熱和磁性能方面的改善研究很少，以后需對石墨烯陶瓷復(fù)合材料的原料種類、制備方法、作用原理、應(yīng)用范圍、性能與作用進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

5.8 石墨烯電熱膜是石墨烯陶瓷復(fù)合材料的一個(gè)重要研究方向

石墨烯電熱膜是一個(gè)值得培育的有前景的產(chǎn)業(yè)。石墨烯與陶瓷結(jié)合材料，重點(diǎn)方向是提高導(dǎo)電和傳熱效率。

6 結(jié)束語

目前，石墨烯不論是研究還是應(yīng)用，都表現(xiàn)出了極大意義與價(jià)值，并在很多領(lǐng)域取得了相關(guān)成就。同時(shí)，有關(guān)于石墨烯復(fù)合物材料的研發(fā)也為石墨烯的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。而我國對于石墨烯及其復(fù)合材料依舊處于研究階段，想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化還面臨很多問題和挑戰(zhàn)。

另外，石墨烯在陶瓷材料中的應(yīng)用總體而言更還是處于起步階段，石墨烯在陶瓷中的應(yīng)用只是眾多應(yīng)用渠道中的一種，希望將來可拓寬其可實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。石墨烯在陶瓷中應(yīng)用的可行性、原料品種、應(yīng)用方法、使用量、成本與性價(jià)比、產(chǎn)品類型、市場前景等問題還值得深入探討。

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Research Status and Prospect Analysis of Graphene and Its Application in Ceramics

JIANG Qi-ming,HUANG Hui-ning,HE Qian,DAI Yong-gang
(Guangdong Kito Ceramics Group Co.,Ltd.,Foshan,Gongdong,528031)

Graphene has become a research focus in the field of materials both at home and abroad due to its excellent physical and chemical properties,such as mechanical,thermal,optical,electrical and magnetical properties,and its unique two-dimensional structure.This paper mainly introduces the structures of graphene,the properties of graphene,graphene preparation methods,characterization methods of graphene,classification of graphene composites,the problems of graphene and the application of graphene.Besides,the domestic and foreign research status of graphene and its application in ceramics are reviewed.At the same time,the development prospect of graphene and its application in ceramics are also analyzed.

Grapheme;Ceramics;Composite materials;Research status;Development prospects