石墨烯的組織性能、改性處理及應(yīng)用前景*

馮 濤，陳文革，栗雯綺，趙 千

(西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710048)

0 引 言

自從Andre Geim和Konstantin Novoselov[1]于2004年首次采用“微機(jī)械分離法”獲得石墨烯以來，石墨烯在全世界引起人們的關(guān)注，因其特殊的性質(zhì)，一直以來是物理，化學(xué)，材料科學(xué)，生物學(xué)，生物醫(yī)學(xué)和能源研究等領(lǐng)域的熱點(diǎn)[2]。

石墨烯是由一個(gè)碳原子與其周圍三個(gè)碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子厚度的準(zhǔn)二維材料，所以又叫做單原子層石墨。當(dāng)然也包括具有雙層石墨烯、多層石墨烯材料和石墨烯衍生物[3]。此外，石墨烯由純碳組成，每個(gè)碳原子在同一平面上通過共價(jià)鍵合在一起，鍵長(zhǎng)約為0.142 nm，鍵角約為120°，這也使得石墨烯的結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定[4]。單層石墨烯薄片間通過范德華力連接，這種鍵合種類賦予了石墨烯優(yōu)異的力學(xué)性能。同時(shí)，石墨烯自身的高載流子遷移率、導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)分子的不透過性，已經(jīng)使得石墨烯在新型的能源材料應(yīng)用領(lǐng)域具有了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)也使其可作為諸多碳材料的基本組成單元，可以包裹形成零維的富勒烯結(jié)構(gòu)，也可以卷曲形成一維的碳納米管，當(dāng)多個(gè)石墨烯片層堆疊起來又會(huì)形成三維的石墨結(jié)構(gòu)[5]。

石墨烯作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)材料，每年會(huì)出版數(shù)千篇關(guān)于石墨烯的研究論文，并且預(yù)計(jì)未來幾年這個(gè)數(shù)字將會(huì)繼續(xù)增加，這些論文主要集中在石墨烯的制備技術(shù)，性能研究以及石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用等方面[6]。然而，必須注意到，歷史見證了許多“新”材料的興起和廣泛的應(yīng)用還需要時(shí)間，盡管石墨烯制備技術(shù)快速發(fā)展，但仍缺乏用于大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯且具有成本效益的方法。當(dāng)前的石墨烯制備技術(shù)在規(guī)?；潭取⑸a(chǎn)成本、工藝要求、尺寸、純度、結(jié)構(gòu)的完整性等各方面還存在各種問題和不足。同時(shí)，在制備過程中石墨烯邊緣或內(nèi)部形成的缺陷、層和層之間的疊加都會(huì)影響石墨烯的性能，因此在目前已有的制備技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝改進(jìn)，或者探索出一種石墨烯制備新技術(shù)顯得非常重要。石墨烯在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用面臨的問題和挑戰(zhàn)同樣不容忽視，由于制備技術(shù)的局限性，純石墨烯材料在工業(yè)上的應(yīng)用還鮮有報(bào)道，主要是將石墨烯與其它基體材料結(jié)合制備出石墨烯復(fù)合材料，然而在與其它基體材料結(jié)合時(shí)，因其表面能較大，片層間較強(qiáng)的π-π相互作用，以及表面殘留的部分官能團(tuán)，使得石墨烯在基體材料中極易發(fā)生團(tuán)聚，影響復(fù)合材料的性能。為此，要對(duì)石墨烯進(jìn)行表面改性，目前已知的石墨烯改性方法包括共價(jià)鍵改性和非共價(jià)鍵改性[7]。當(dāng)然，石墨烯的作用機(jī)制也鮮有報(bào)道。故這篇文章系統(tǒng)的總結(jié)了石墨烯目前的制備方法、表征技術(shù)、改性方法以及部分領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)石墨烯未來的可能性應(yīng)用作了大膽假設(shè)，旨在為石墨烯的發(fā)展提供更多支持。

1 石墨烯的組織結(jié)構(gòu)表征與性能

由于石墨烯薄片厚度方向上的納米特性、碳屬性和制備技術(shù)的不可控，使得采用單一手段難以全面表征其組織結(jié)構(gòu)。為此多采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、紅外光譜(FT-IR)、拉曼(Raman)、X射線衍射(XRD)、原子力顯微鏡(AFM)和X射線光電子能譜分析(XPS)等多種手段進(jìn)行表征和相互印證。圖1為采用不同技術(shù)手段表征石墨烯組織結(jié)構(gòu)的結(jié)果。SEM(見圖1(a))展示的石墨烯呈現(xiàn)薄、透明、重疊的結(jié)構(gòu)。TEM(見圖1(b))展示的石墨烯呈現(xiàn)類似于透明的絲綢，由于石墨烯表面的疏水性和范德華相互作用，部分石墨烯有重疊的傾向。FT-IR(見圖1(c))顯示石墨烯峰的強(qiáng)度低。Raman(見圖1(d))展示的石墨烯材料典型的G帶(1580 cm-1)sp2碳原子的切向振動(dòng)，和2D帶(2700 cm-1)表征石墨烯樣品中碳原子層間堆垛方式。XRD(見圖1(e))顯示石墨烯為非晶態(tài)材料。AFM(見圖1(f))展示的石墨烯厚度為1.5 nm。XPS(見圖g)顯示石墨烯表面的含氧官能團(tuán)較少，主要為碳碳官能團(tuán)。

圖1 采用不同技術(shù)手段表征石墨烯組織結(jié)構(gòu)的結(jié)果[8-13]

石墨烯具有很多獨(dú)特的性能，Mayorov等人[14]通過量子力學(xué)理論計(jì)算出了石墨烯在室溫時(shí)具有非常高的電子遷移率，約為2.5×105cm2/(V·s)。Lee等人[15]通過壓痕實(shí)驗(yàn)確定石墨烯的楊氏模量為(1 000±100)GPa，通過拉伸試驗(yàn)測(cè)量了石墨烯斷裂強(qiáng)度為125 GPa。Balandin等人[16]通過防護(hù)熱板法測(cè)量了石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)約為5000W/(m·K)。Bolotin等人[17]通過霍爾效應(yīng)法測(cè)量了石墨烯內(nèi)載流子的遷移率為2×105cm2/(V·s)。Stoller等人[18]通過連續(xù)流動(dòng)法(即動(dòng)態(tài)法)測(cè)量了石墨烯比表面積為2 630 m2/g。同時(shí)，石墨烯單分子層具有優(yōu)異的光學(xué)性能，Nair等人[19]通過雙光束分光光度計(jì)測(cè)量了石墨烯單層膜在白光下的最大吸光度約為2.3%。表1給出了石墨烯與碳納米管、納米鋼、塑料和橡膠的機(jī)械、熱和電性能的對(duì)比。可見，石墨烯在當(dāng)前材料中具有突出的力學(xué)和物理性能。

表1 石墨烯、碳納米管、納米鋼、塑料和橡膠的性能比較

2 石墨烯的制備方法

目前石墨烯的制備方法可分為兩種類型：自上向下和自下向上兩種方法，自上向下的方法，如機(jī)械剝離、電弧放電、氧化還原、液相剝離以及碳納米管的分解等，通常將石墨層分離分層成單層、雙層和多層石墨烯。這些方法需要較大的前驅(qū)體，如石墨和其他碳基前驅(qū)體，形成納米級(jí)石墨烯。自下而上的方法包括化學(xué)氣相沉積(CVD)、外延生長(zhǎng)、有機(jī)合成。自下而上的方法生產(chǎn)出的石墨烯產(chǎn)品幾乎沒有缺陷，而且表面積大，但往往生產(chǎn)成本高，操作復(fù)雜[43]。石墨烯的各種制備方法、優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。各種方法制備出石墨烯的TEM圖像如圖2所示。

表2 石墨烯的各種制備方法、優(yōu)缺點(diǎn)比較

圖2 各種方法制備出石墨烯TEM圖像

3 石墨烯表面功能化

通過傳統(tǒng)方法制備的石墨烯往往極易堆積，且由于其在與其他基體材料復(fù)合時(shí)，在基體中分散不均勻、對(duì)基體材料的潤(rùn)濕性差、與基體的界面粘結(jié)性差等問題，都會(huì)嚴(yán)重限制石墨烯的應(yīng)用。采用石墨烯功能化技術(shù)不僅可以提高石墨烯對(duì)不同化學(xué)基團(tuán)的反應(yīng)活性，而且可以提高石墨烯在基體材料中的分散效果，同時(shí)，功能化還可以提高各種電子設(shè)備的性能，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的多功能應(yīng)用。一般而言，石墨烯納米片的功能化可以采用兩種方式進(jìn)行：非共價(jià)功能化與共價(jià)功能化。

圖3(a)為石墨烯非共價(jià)鍵改性示意圖，石墨烯與各種有機(jī)物、聚合物或無機(jī)材料通過摻雜反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)石墨烯表面的功能化，其結(jié)果是石墨烯與目標(biāo)材料之間經(jīng)常產(chǎn)生諸如π-π相互作用或范德華力的弱相互作用，而不會(huì)改變石墨烯的物理性能和電子結(jié)構(gòu)[55]。Xue等人[56]將金屬Cu和Ni包覆在石墨烯表面，通過XPS光譜分析金屬Cu、Ni和石墨烯之間存在范德華力相互作用(見圖3c)。Wu等人[57]以二甲基甲酰胺(DMF)和甲醇(CH3OH)為溶劑，利用芳香族分子(1-比利牛斯丁酸琥珀酰亞胺酯，PBASE)對(duì)石墨烯進(jìn)行表面功能化，利用拉曼光譜證明了石墨烯與PBASE存在π-π相互作用。圖3(b)為石墨烯共價(jià)鍵改性示意圖，無機(jī)元素或有機(jī)化合物表面的官能團(tuán)分子與石墨烯表面的碳原子共價(jià)連接，然后將石墨烯的sp2雜化轉(zhuǎn)化為sp3雜化[58-60]。Wei等人[61]利用CVD技術(shù)制備了氮摻雜的石墨烯，通過XPS光譜證明實(shí)現(xiàn)了氮原子和石墨烯表面碳原子的共價(jià)連接。Englert等人[62]同樣通過XPS光譜證明了4-叔丁基苯重氮中的苯原子和碳原子共價(jià)連接實(shí)現(xiàn)了石墨烯的共價(jià)鍵改性。Hu等人[9]在N，N-二甲基甲酰胺介質(zhì)中通過微波輻射成功制備了殼聚糖改性的石墨烯納米片(見圖3d)，通過XPS光譜證明了殼聚糖通過酰胺鍵共價(jià)接枝到石墨烯納米片的表面。

圖3 石墨烯的表面功能化過程圖

4 石墨烯的應(yīng)用

4.1 儲(chǔ)能裝置用電極

為了解決儲(chǔ)能裝置電極用材料在目前實(shí)際應(yīng)用中的導(dǎo)電性差和比表面積小對(duì)電荷的儲(chǔ)存能力差等問題[63-65]，需要尋找一種新型的材料來滿足儲(chǔ)能裝置對(duì)電極的要求。圖4為石墨烯作為儲(chǔ)能裝置電極材料的結(jié)構(gòu)示意圖。石墨烯作為電極表面導(dǎo)電材料，因具有較大的比表面積、孔隙率以及優(yōu)異的導(dǎo)電性能，能夠增大電解質(zhì)離子與電極的接觸面積和電荷在界面活性材料之間傳輸能力。氧化銦作為單層石墨烯附載的平臺(tái)，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，能夠促進(jìn)電解液和電極之間電荷的轉(zhuǎn)移。Ladrón-de-Guevara等人[66]報(bào)道了一種將聚苯胺納米纖維選擇性地電沉積在基于激光還原氧化石墨烯上的三維復(fù)合超級(jí)電容器電極，聚苯胺/石墨烯復(fù)合電極在2000次循環(huán)后電容性保留率達(dá)到84%。Choi等人[67]在玻璃基板上用CVD生長(zhǎng)的多層石墨烯作為透明電極應(yīng)用于聚合物太陽能電池，該電極表現(xiàn)出84.2%高透明度。Tavakoli等人[68]合成了石墨烯中空結(jié)構(gòu)三維支架，并將其作為聚合物太陽能電池裝置電子傳輸電極，使太陽能電池性能提高了27%。

圖4 石墨烯電極結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 傳感器裝置用敏感材料

當(dāng)外界分子(如氣體等)和石墨烯表面接觸，或者當(dāng)石墨烯受到應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)引起石墨烯變形，對(duì)其表面電荷濃度產(chǎn)生影響，電荷濃度的差異會(huì)導(dǎo)致石墨烯的電阻、電導(dǎo)率值發(fā)生明顯變化，利用石墨烯電阻發(fā)生變化這一特性，可將其作為傳感器裝置用敏感材料。其次，石墨烯自身的高載流子遷移率和較大的比表面積，也有利于石墨烯作為傳感器敏感材料。圖5為石墨烯作為傳感器裝置用敏感材料，當(dāng)石墨烯表面與外界分子接觸時(shí)，其表面電荷變化示意圖。Zhang等人[69]將制備的磷摻雜石墨烯作為傳感器的敏感材料，用來對(duì)乙酰氨基酚的檢測(cè)，結(jié)果顯示出高靈敏度檢測(cè)極限(0.36 μm)和優(yōu)良的抗干擾能力。Ko等人[70]將石墨烯層作為敏感材料連接在SiO2/Si襯底上，開發(fā)了一種基于石墨烯的氣體傳感器，表明對(duì) NO2氣體具有快速響應(yīng)、高選擇性和高靈敏度。

圖5 石墨烯作為傳感器裝置用敏感材料原理示意圖

4.3 儲(chǔ)氫材料

傳統(tǒng)的壓縮儲(chǔ)氫技術(shù)在重量和體積上效率低下，因?yàn)榈蜏丶夹g(shù)消耗了大量的能量和儲(chǔ)罐成本[71]。此外，利用金屬儲(chǔ)氫形成的金屬氫化物在潮濕的空氣中會(huì)劇烈反應(yīng)，并在氫吸附過程中將雜質(zhì)引入到儲(chǔ)罐中[72]。石墨烯的六角環(huán)結(jié)構(gòu)和良好的表面體積比能夠促進(jìn)石墨烯表面的C原子和氫氣相互作用形成C-H鍵，使得氫氣能夠穩(wěn)定的儲(chǔ)存在石墨烯表面，利用石墨烯這一特性，可在室溫和安全壓力下快速可逆地吸附氫使其成為一種高體積能量密度儲(chǔ)氫材料(見圖6)。Shayeganfar等人[73]將摻氧氮化硼納米管和石墨烯整合成一個(gè)單一的三維結(jié)構(gòu)制備了一種高性能的儲(chǔ)氫材料，顯示出其儲(chǔ)氫能力可高達(dá)14.77%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。Kumar等人[74]制備了一種鈀包覆多孔石墨烯納米結(jié)構(gòu)，在氣壓低于7.5 MPa時(shí)其儲(chǔ)氫容量高達(dá)5.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

圖6 石墨烯對(duì)H2吸附示意圖

4.4 石墨烯過濾膜

石墨烯為六邊形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，厚度僅有一個(gè)原子直徑大小(約為0.35 nm)，具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和較大的比表面積，使得石墨烯可作為理想的過濾材料。然而，石墨烯由于p軌道的電子云離域，影響了芳香環(huán)中的孔隙，因此對(duì)分子、離子等具有不透過性[75-76]。通過離子和電子輻照[77-78]或化學(xué)路線[79-80]在石墨烯表面創(chuàng)建納米孔，以及對(duì)石墨烯進(jìn)行表面功能化，可以調(diào)整石墨烯的滲透性能，選擇性地通過水分子，并排斥水中溶解的鹽和顆粒。研究表明，大多數(shù)鹽離子都可以通過直徑大于0.55 nm的孔[81]，因此在石墨烯中形成小于該尺寸的納米孔，可以有效地過濾掉水中的鹽離子(見圖7)。O’Hern等人[82]通過用鎵離子轟擊然后化學(xué)蝕刻，在單層大尺寸石墨烯中產(chǎn)生了0.4 nm尺寸的孔，顯示出良好的過濾水性能和抵抗鹽離子通過的性能。Chang等人[83]通過超聲處理，然后進(jìn)行輕度的酸氧化，在石墨烯片中產(chǎn)生了納米孔，顯示出對(duì)Na2SO4溶液的最大脫鹽率為69%，對(duì)MgSO4溶液的最大脫鹽率為71.2%。Surwade等人[84]通過氧等離子體蝕刻在石墨烯層中創(chuàng)建了納米孔，結(jié)果顯示出高的除鹽率和極快的水傳輸性能。

圖7 石墨烯表面形成的納米孔對(duì)H2O過濾示意圖

4.5 石墨烯防腐涂層

大多數(shù)金屬和無機(jī)材料，在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常受到腐蝕，在材料表面涂覆防腐蝕涂料是一種經(jīng)濟(jì)有效的防腐蝕方法[85-88]。石墨烯由sp2雜化的碳原子組成，其芳香環(huán)上的電子密度較高，可以阻斷腐蝕介質(zhì)的滲透[89-96]。圖8為添加石墨烯的涂層防腐機(jī)制示意圖。添加一定含量的石墨烯，可以延長(zhǎng)腐蝕路徑，減緩基體材料的腐蝕速率，對(duì)基體起到保護(hù)作用。Prasai等人[97]研究了石墨烯防腐涂層在Na2SO4溶液中保護(hù)金屬銅的能力，表明石墨烯防腐涂層保護(hù)的銅幾乎不受腐蝕。Zhang等人[98]研究了直接生長(zhǎng)在Cu箔上的石墨烯向NiTi合金表面的遷移，對(duì)NiTi合金的防腐現(xiàn)象。通過電化學(xué)測(cè)試，覆蓋純石墨烯涂層的NiTi合金比裸露的NiTi合金具有更高的腐蝕電位和更低的腐蝕電流。這些結(jié)果證明石墨烯涂層可以增強(qiáng)NiTi合金的耐腐蝕性。Cui等人[99]研究了摻雜石墨烯環(huán)氧樹脂涂料的防腐性能。結(jié)果表明，在3.5% NaCl溶液中浸泡60天后，表面涂有純環(huán)氧樹脂(EP)的Q235碳鋼腐蝕嚴(yán)重，形成許多腐蝕產(chǎn)物，在涂有石墨烯/環(huán)氧樹脂涂層的Q235碳鋼上，表面的腐蝕程度較輕。

圖8 添加石墨烯的涂層防腐機(jī)制示意圖

4.6 石墨烯氣凝膠

石墨烯氣凝膠由于具有超低密度(16 mg/cm3)、高比表面積(1 000 m2/g)、高孔隙率(90%～99%)、低熱導(dǎo)率(0.02 W/(m·K))、低折射率(1.025)及低介電常數(shù)(1.1)等一系列優(yōu)良特性，因此在儲(chǔ)能、重金屬離子吸附、電化學(xué)生物傳感器等不同領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用[100-101]。石墨烯氣凝膠的宏觀形貌(見圖9(a))、SEM圖像(見圖9(b))和TEM圖(見圖9(c))，顯示石墨烯氣凝膠內(nèi)部片層相互堆疊組裝成了三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Ren等人[102]以間苯二酚、甲醛和還原氧化石墨烯為原料，碳酸鈉為催化劑，通過溶膠-凝膠制備了具有超疏水性、高吸附容量和良好可回收性的石墨烯氣凝膠，在-40～240 ℃的溫度范圍內(nèi)均能保持優(yōu)異的吸收能力。Dai等人[103]以聚乙烯醇為模板，通過冷凍干燥制備了一種新型石墨烯氣凝膠，表現(xiàn)出對(duì)染料的優(yōu)異吸附能力，其對(duì)亞甲藍(lán)等陽離子染料的吸附率高達(dá)96%以上。Mi等人[104]通過雙向冷凍干燥法制備了三維高度可壓縮、有彈性、各向異性的纖維素/石墨烯氣凝膠，能夠選擇性地從水中吸油，吸附能力高達(dá)自身質(zhì)量的 80-197倍。

圖9 石墨烯氣凝膠的形貌表征[105]

5 石墨烯的未來設(shè)想

石墨烯以其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和豐富而新奇的性能，以及廣泛的應(yīng)用前景，成為備受關(guān)注和矚目的研究前沿?zé)狳c(diǎn)，其自身的獨(dú)特特性可使其作為未來的“神奇材料”，根據(jù)目前石墨烯的性能研究和在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，可以設(shè)想有關(guān)石墨烯的多種未來應(yīng)用。

5.1 生物醫(yī)用方面

目前所用的心臟支架材料多為不銹鋼、鎳鈦合金或鈷鉻合金等金屬材料，會(huì)與人體發(fā)生免疫排斥反應(yīng)，并且人體組織中的成分會(huì)對(duì)金屬支架材料造成腐蝕，降低支架的使用壽命，且合金材料自身重量較大，會(huì)加重心臟的負(fù)擔(dān)。石墨烯重量較輕，厚度僅為單個(gè)原子直徑大小，會(huì)降低心臟的承載壓力，對(duì)石墨烯的形狀、結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，可在未來實(shí)現(xiàn)石墨烯心臟支架的制備。其次，石墨烯在人體生物檢測(cè)方面同樣具有潛在的應(yīng)用，例如對(duì)癌細(xì)胞、腫瘤細(xì)胞的特異性檢測(cè)。石墨烯自身具有高比表面積加上優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性等獨(dú)特特性，可在未來作為癌細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞標(biāo)定的理想材料。

5.2 添加“單元”材料

傳統(tǒng)上，往往把優(yōu)異性能的石墨烯作為添加劑材料添加到基體材料中，來增加基體材料的性能，然而這種方法會(huì)因石墨烯在基體材料中的分散性差等問題，對(duì)基體材料產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，造成強(qiáng)度、韌性的降低。如果將單層石墨烯通過特殊手段制成類似于“晶胞”的單元材料，根據(jù)不同的需求添加到相應(yīng)的基體中，則會(huì)展現(xiàn)出1+1﹥2的特殊性能，圖10為石墨烯合成的“單元”構(gòu)成的三維框架，只要基體材料填充在周圍，就會(huì)形成所需的復(fù)合材料。獲得意想不到的性能。

圖10 石墨烯合成的“單元”三維框架結(jié)構(gòu)示意圖

5.3 降噪材料

材料降噪是利用吸聲材料松軟多孔的特性來吸收一部分聲波，當(dāng)聲波進(jìn)入多孔材料的孔隙之后，能引起孔隙中的空氣和材料的細(xì)小纖維發(fā)生振動(dòng)，由于空氣與孔壁的摩擦阻力、空氣的粘滯阻力和熱傳導(dǎo)等作用，一部分聲能就會(huì)轉(zhuǎn)變成熱能而耗散掉，從而起著吸聲降噪作用。石墨烯大的比表面積、疏松多孔、優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，設(shè)想將石墨烯應(yīng)用到降噪耳機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)的外殼等領(lǐng)域，可提高裝置的降聲效果，同時(shí)，石墨烯為單原子厚度，質(zhì)量非常輕，應(yīng)用到降噪耳機(jī)中，可以減小耳機(jī)的重量，增大耳朵的舒適程度。應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)上，同樣可以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量，對(duì)于輕量化汽車的研制具有巨大的意義。

5.4 液體潤(rùn)滑材料

石墨烯具有超薄的片層結(jié)構(gòu)(易進(jìn)入摩擦接觸面)、優(yōu)異的力學(xué)性能和自潤(rùn)滑性，這些特性使其在潤(rùn)滑材料方面的應(yīng)用具有廣闊的前景，適量的石墨烯作為潤(rùn)滑添加劑不僅可以減少摩擦系數(shù)，而且能通過摩擦吸附膜的形式顯著提高潤(rùn)滑劑的承載抗磨性能。目前，應(yīng)用于摩擦件之間的水基潤(rùn)滑劑在實(shí)際應(yīng)用因較低的運(yùn)動(dòng)粘度、有限的潤(rùn)滑性能而具有一定的局限性。將石墨烯與傳統(tǒng)潤(rùn)滑油相結(jié)合，有望突破現(xiàn)有水潤(rùn)滑介質(zhì)的性能極限，可大幅提升先進(jìn)水潤(rùn)滑系統(tǒng)的效率和可靠性。

5.5 可穿戴材料

如果將石墨烯納米芯片集成到傳統(tǒng)纖維中，利用其可直接編織到衣物的特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體局部形變的準(zhǔn)確捕捉，用于人體健康的檢測(cè)。例如，將此纖維編織進(jìn)紗布并作為眼罩，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)等信息，未來可用于眼疾病人的監(jiān)測(cè)和睡眠監(jiān)測(cè)。同時(shí)，將該纖維集成到創(chuàng)口貼中，貼到手腕處，能夠識(shí)別手腕脈搏，而且脈搏信號(hào)能夠非常清晰表現(xiàn)出脈搏上的不同信號(hào)。同時(shí)，石墨烯在防彈衣方面也具有潛在的應(yīng)用，傳統(tǒng)的防彈衣防彈層是用金屬(特種鋼、鋁合金、鈦合金)、陶瓷片(剛玉、碳化硼、碳化硅、氧化鋁)、玻璃鋼、尼龍、超高分子量聚乙烯纖維、液體防護(hù)材料等材料制作的，這些材料由于自身的重量較大，會(huì)造成防彈衣在使用時(shí)比較笨重。石墨烯是片狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)子彈擊中石墨烯后，石墨烯會(huì)在子彈撞擊點(diǎn)伸長(zhǎng)變?yōu)閳A錐狀，吸收大量的子彈動(dòng)能，并且由于石墨烯薄且具有超高的機(jī)械強(qiáng)度，可以在減輕防彈衣重量的基礎(chǔ)上，提高防彈衣的使用性能。

5.6 石墨烯納米發(fā)電機(jī)

目前，納米發(fā)電機(jī)主要利用的是氧化鋅的半導(dǎo)體和壓電的雙效應(yīng)。通過將石墨烯結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)一定的角度，使其具有半導(dǎo)體性能已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，可以設(shè)想石墨烯在未來完全有可能取代氧化鋅成為新一代的納米發(fā)電機(jī)材料。石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能、單原子厚度以及納米尺寸為納米發(fā)電機(jī)的制備提高了便捷的途徑，對(duì)其性能的提高也同樣具有巨大的意義(見圖11)。

圖11 石墨烯納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié) 語

作為單原子厚度的新材料，石墨烯以其高比表面積等優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，以及優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性而受到人們的廣泛關(guān)注。當(dāng)前已在儲(chǔ)能裝置、傳感器、儲(chǔ)氫材料獲得了很好的應(yīng)用，并在未來的領(lǐng)域中展現(xiàn)出無限的可能。然而石墨烯在制備和應(yīng)用方面仍然面臨一系列難題。比如，制備石墨烯的方法在規(guī)?；潭?、生產(chǎn)成本、工藝要求、尺寸、純度、結(jié)構(gòu)的完整性等各方面存在各種問題和不足；石墨烯的應(yīng)用大多停留在理論上，實(shí)質(zhì)上的應(yīng)用還有待挖掘；石墨烯的宏微觀表征及其功能化機(jī)制方面的研究不夠完善。