石墨烯復(fù)合材料應(yīng)用最新研究進展

程揚帆

（湖北科技學(xué)院，湖北 咸寧，437000）

1 石墨烯復(fù)合材料及其應(yīng)用前景

1.1 定義與特性

石墨烯被稱為“單層石墨片”。它是一種二維的結(jié)構(gòu)，密集的碳原子與石墨的單原子層十分類似，是一種新型碳材料。石墨烯的多種優(yōu)點造就它多種用途，比如它的比表面積大，可以用于吸附和環(huán)境治理；機械強度高可以用于航空航天等；載流子遷移率高可以用于半導(dǎo)體與電容等設(shè)備。應(yīng)用的環(huán)境非常廣泛，隨著石墨烯新型材料國內(nèi)外發(fā)展，石墨烯不但可以顯著提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還可以為高端制造業(yè)的發(fā)展提供推力。

1.2 國內(nèi)外石墨烯復(fù)合材料發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景

目前，世界上有很多關(guān)于石墨烯的討論。2012年，有近2萬篇關(guān)于石墨烯研究的論文被納入科學(xué)研究。中國和美國是前兩個國家。與此同時，其他國家也積極參與石墨烯相關(guān)專利申請的布局。截至2013年6月，它已申請了3,000多項相關(guān)發(fā)明專利。從2006-2017年，國內(nèi)和國際研究呈上升趨勢。在“十一五”期間，石墨烯復(fù)合技術(shù)的發(fā)展還處于起步階段，國內(nèi)外研究的數(shù)量相對較少。在“十二五”期間，國外開展了研究，主要集中在石墨烯的制備和化合物的研究上。隨后，石墨烯復(fù)合材料的研究進入了快速發(fā)展階段。在過去兩年中，研究數(shù)量已超過以前的總數(shù)。其中，國外研究數(shù)量急劇增加，工業(yè)化進程不斷推進，國內(nèi)則在重點領(lǐng)域不斷擴展提升。

由于石墨烯的重要特性和巨大應(yīng)用價值，全球多個國家將其定義到發(fā)展戰(zhàn)略高度。比如亞太地區(qū)的日本和中國，美國、以及歐洲歐盟等區(qū)域國家。這其中不少國家投入的研究和開發(fā)金額達到十億美元，專門用來研究用于石墨烯材料。美國科技發(fā)展戰(zhàn)略同樣包括石墨烯技術(shù)。各國企業(yè)也積極進行石墨烯產(chǎn)業(yè)的布局，相關(guān)開發(fā)和研究涉及多家公司，像比如洛克希德·馬丁、波音、三星、IBM、杜邦、陶氏化學(xué)、索尼等巨頭均在公司名單中[1]。

2 石墨烯復(fù)合材料國內(nèi)外應(yīng)用進展

由于石墨烯具有多種獨特的優(yōu)點，將它作為復(fù)合材料的填充相，就可以增強材料的相應(yīng)性能，這就為它的應(yīng)用提供了多種方向。比如國內(nèi)外相關(guān)研究應(yīng)用于能量儲存、液晶器件、電子器件，而在其他領(lǐng)域比如生物材料、傳感材料和催化劑載體等也有較多的報道。隨著對石墨烯復(fù)合材料研究的不斷深入，它應(yīng)用也越來越受到人們的重視。

2.1 石墨烯儲能復(fù)合材料應(yīng)用

鋰電池是當前用途最廣泛的電池能源，鋰電池整體性能提升的關(guān)鍵是開發(fā)新的電極材料。石墨烯作為一種新型碳質(zhì)材料，加入到鋰離子電池中能夠大幅提高其導(dǎo)電性，因為它為鋰離子電池解決了兩個問題，大幅度提高能量密度與大幅度提高功率密度。相對應(yīng)的，石墨烯就可以作為電池導(dǎo)電的添加劑了。國內(nèi)也有報道將它作為復(fù)合電極材料的正負極[2]。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉兆平團隊利用石墨烯構(gòu)建了一種覆蓋磷酸鐵鋰納米粒子的高效三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，大大提高了磷酸鐵鋰正極材料的電化學(xué)性能。該項目已在寧波艾能鋰電料科技有限公司試線。此外，清華大學(xué)康飛宇教授團隊和鴻納 (東莞)新材料科技有限公司開發(fā)了石墨烯作為鋰離子電池的導(dǎo)電助劑，已小批量使用[3]。

美國加州大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種微型超級電容器，它使用的記錄儀可以在幾秒鐘內(nèi)為手機或汽車充電。其充放電速度比標準電池快100～1000倍。原理是盤上的氧化石墨烯可以在激光照射下被還原和剝離，因此可以用在電容器或可充電電池中。Nanoek Instruments還開發(fā)了基于石墨烯的超級電容器。將電極與石墨烯和5%（質(zhì)量分數(shù)）乙炔黑混合，當電解質(zhì)通過卷曲和彎曲的石墨烯片結(jié)構(gòu)時，它可以以大比例與石墨烯的表面接觸，從而提高能量儲存能力，該超級電容器室溫下能量密度可以大幅提高。

2.2 石墨烯導(dǎo)熱、散熱復(fù)合材料應(yīng)用

目前，市場上電子產(chǎn)品的散熱主要是石墨導(dǎo)熱散熱片，蘋果、三星、國產(chǎn)小米手機等的散熱片均為石墨制成。石墨烯制備的散熱膜性能要遠大于石墨片，其多層片狀結(jié)構(gòu)在散熱時可使局部熱點溫度通過特性結(jié)構(gòu)氣流快速散去，氣溫明顯下降。美國對于此項研究做測試，并將普通碳納米管作為對比，單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)一般在5300W/m·K，相較于納米管的3000W/m·K，導(dǎo)熱系數(shù)的提升，是非常明顯的。

我國對于散熱方面的研究也在進行，比如貴州新碳高科有限責(zé)任公司推出柔性石墨烯散熱薄膜。基本核心仍然是石墨烯微片層狀結(jié)構(gòu)，它的主要原料是石墨烯粉末，將其制作為石墨烯溶液，結(jié)合輥對輥技術(shù)，即產(chǎn)生取向性形態(tài)，還原條件為特定高溫氣氛，熱導(dǎo)率可以達到kW/m·K。相比較于常用的金屬散熱，其散熱效果提高3倍左右，并具有良好的可加工性能。這種產(chǎn)品已經(jīng)有小批量生產(chǎn)，通常薄膜厚度在25μm左右，對于生活中只能屏幕比如電腦和顯示器，散熱效果大幅度提高。

2.3 石墨烯導(dǎo)電復(fù)合材料應(yīng)用

石墨烯能夠提供穩(wěn)定結(jié)構(gòu)注定具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，再結(jié)合高比表面積的特點，因此提出一種研究，將材料均勻的加入聚合物中，有效點狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)即可形成，石墨烯復(fù)合材料的高導(dǎo)電性能即可實現(xiàn)。國內(nèi)有相關(guān)研究制出復(fù)合材料導(dǎo)電率超過3000S/m。材料質(zhì)量輕是這種材料的主要特點，此外還有合成容易與電導(dǎo)率廣且容易調(diào)控的特點。目前針對導(dǎo)電材料國內(nèi)研究著主要集中在電極、電磁波屏蔽、隱身、傳感器等方面，其他可應(yīng)用于新能源領(lǐng)域，對于輔助交通運輸和一些廠商制作電子器件等領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用。

美國Vorbeck Materials公司開發(fā)出了石墨烯導(dǎo)電添加劑。其中天然橡膠添加4%后，產(chǎn)品的導(dǎo)電性能達到顯著提升。廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公司開發(fā)了類似產(chǎn)品，聚碳酸酯中添加10%石墨烯微片，體積電阻103Ω·cm，達到導(dǎo)電級別 ；與添加10%價格昂貴的超導(dǎo)炭黑性能相當，而石墨烯微片成本則更低。此外，美國XG Science公司也提供各種規(guī)格的石墨烯導(dǎo)電微片產(chǎn)品。

2.4 石墨烯復(fù)合材料在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

在環(huán)境治理中，對催化降解水和空氣的污染物研究較多，它不但具有清潔、無污染特性，還具有溫度低，利用太陽能的特點。相較于一些常規(guī)光催化劑，如TiO2、ZnO等光催化活性低。采用石墨烯與催化劑復(fù)合材料使得可見光利用度提升，相應(yīng)催化劑活性提升，在污水中污物的處理應(yīng)用和空氣中污染物處理應(yīng)用可以很好的控制環(huán)境污染。

同樣的比如電催化領(lǐng)域，難降解污染物相對更多采用電催化。反應(yīng)過程中催化速率極快，保證速率的同時還能以溫和的反應(yīng)條件進行，這過程還不產(chǎn)生副產(chǎn)物?，F(xiàn)階段國內(nèi)外應(yīng)用于三維電極體系中的研究已逐漸開展，研究內(nèi)容主要是三維電極體系中新型粒子電極的制備，用到的特殊材料即石墨烯復(fù)合材料。

2.5 石墨烯復(fù)合材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯復(fù)合材料在其他領(lǐng)域也有很多應(yīng)用，如人造骨關(guān)節(jié)耐磨層的應(yīng)用、防彈衣中的應(yīng)用，奧地利一家公司甚至推出石墨烯增強網(wǎng)球拍，這種例子非常多。歐洲會利用石墨烯制作有特性的加強塑料和拉伸塑料。再比如應(yīng)用石墨烯替代現(xiàn)有的吸波材料，對電磁場實現(xiàn)保護的同時實現(xiàn)材料的減重。

3 結(jié)語

綜上所述，石墨烯復(fù)合材料在國內(nèi)外多功能多領(lǐng)域已經(jīng)逐步展開，從材料的制備到應(yīng)用的研究等。我國仍處于產(chǎn)業(yè)化研發(fā)階段，隨著下游產(chǎn)業(yè)對石墨烯復(fù)合材料需求的增加，產(chǎn)業(yè)的進程會更快的發(fā)展，石墨烯材料產(chǎn)業(yè)的大門正逐步打開。我們要從多個方面提升，更便捷低價的材料、更易制備的技術(shù)、更成熟實用的應(yīng)用場景，一定會使我們在該領(lǐng)域更進一步。