石墨烯材料在小型家用電器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

楊燕 李津

關(guān)鍵詞：石墨烯材料;小型;家用電器設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)趨勢(shì)

近年來(lái)年受大環(huán)境影響，我國(guó)家庭結(jié)構(gòu)裂變，規(guī)模趨小，住房面積擴(kuò)大，催生家用電器的需求增加，單人家庭及兩人戶(hù)的年輕群體成為我國(guó)家庭的主要構(gòu)成部分，因此人們對(duì)小家電的依賴(lài)程度呈明顯的上升趨勢(shì)。新興消費(fèi)群體對(duì)于新材料、新技術(shù)的追求也促進(jìn)了小家電市場(chǎng)迎來(lái)機(jī)遇性發(fā)展，由于各個(gè)領(lǐng)域都在不斷融合發(fā)展，小家電也在產(chǎn)品功能、外觀設(shè)計(jì)、智能互聯(lián)等方面具備了良好的創(chuàng)新性[1]。隨著人們對(duì)家電需求的增大，企業(yè)在設(shè)計(jì)家用電器時(shí)在選材用料、外形方面也更加慎重[2]。本文針對(duì)石墨烯新材料在小型家用電器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用趨勢(shì)方面做了一系列研究，力圖探究其優(yōu)勢(shì)及發(fā)展可能。石墨烯材料是2004 年被英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新型納米材料，在多方面都呈現(xiàn)出優(yōu)異的性能，若將其運(yùn)用在小型家用電器中會(huì)有很大的發(fā)展前景。

1 石墨烯材料概述

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp? 雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料（如圖1），是碳的二維結(jié)構(gòu)。它的物理結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，但功能極其豐富。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335 納米，形象來(lái)說(shuō)就是把20 萬(wàn)片薄膜疊加到一起，只有一根頭發(fā)絲那么厚。是一種堅(jiān)固、輕盈、幾乎透明，具有優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的新型材料[2]。

石墨烯材料在性能方面，尤其在力學(xué)方面是目前發(fā)現(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度最高的材料，它的硬度超過(guò)金剛石，斷裂強(qiáng)度達(dá)到鋼鐵的100 倍，其導(dǎo)熱性在室溫下略高于石墨和金剛石，優(yōu)于碳納米管，是Cu、Al 等金屬的數(shù)10 倍，石墨烯的導(dǎo)電率比納米碳管更高，是Si 的100 倍，其電阻率比Al、Cu 和Ag 低得多。由石墨烯材料制成的光學(xué)調(diào)制器具備高速信號(hào)傳輸能力，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一秒鐘下載一部高清電影指日可待。而石墨烯的抗干擾能力也是其全新的電學(xué)屬性。在拉伸性能方面，與金屬相比較延展性更好，可拉伸至自身長(zhǎng)度的20%。還具有超強(qiáng)的透光性，懸浮單層石墨烯在較寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)的可見(jiàn)光吸收率為2.3%，反射率可忽略不計(jì)。

石墨烯的制備方法多種多樣，目前，石墨烯可量產(chǎn)的制備方法主要分為氧化還原法和化學(xué)氣相沉淀法（CVD）兩種。其中氧化還原法的原材料為石墨，化學(xué)氣相沉淀法的原材料為甲烷、乙炔等含碳?xì)怏w。如今的趨勢(shì)是生產(chǎn)缺陷極小的高品質(zhì)石墨烯。而化學(xué)氣相沉淀法可以實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)石墨烯的生產(chǎn)，所以此方法的使用頻率較高[3]。

2 石墨烯材料在小型家用電器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義

從小型家用電器的角度講，作為能夠提高人們生活質(zhì)量的產(chǎn)品，讓其更智能、美觀、便捷及安全才能更好地滿(mǎn)足不斷出現(xiàn)的潛在消費(fèi)需求，這也成為相關(guān)企業(yè)努力的方向。由此若將石墨烯材料運(yùn)用在小型家用電器設(shè)計(jì)中，不僅可以使產(chǎn)品在功能方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，還能給人們帶來(lái)新的感受。

就其作用和意義來(lái)說(shuō)，將石墨烯材料應(yīng)用于小型家用電器設(shè)計(jì)中具有一系列的優(yōu)勢(shì)。其輕盈的特性可以降低家用電器的重量，使之更加便捷，也貼合了小型家用電器所應(yīng)具備的屬性。由于石墨烯的表面積非常大，所以若應(yīng)用于小型家用電器，在散熱的性能上將十分優(yōu)越。還可利用其抗沖擊性制作小型家電保護(hù)殼，使其更堅(jiān)固耐用。石墨烯的強(qiáng)導(dǎo)熱導(dǎo)電性不僅可以用于可加熱電器的電能轉(zhuǎn)化部分，使其更高效，在可持續(xù)設(shè)計(jì)方面，用于電鍍工藝中也可以節(jié)約稀有金屬的使用量。預(yù)計(jì)在未來(lái)10 年，隨著石墨烯應(yīng)用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，石墨烯行業(yè)也將快速增長(zhǎng)[3]。無(wú)疑，這對(duì)于小家電的設(shè)計(jì)發(fā)展來(lái)說(shuō)具有不可估量的重要意義。

3 石墨烯材料在小型家用電器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用趨勢(shì)

由于我國(guó)人口眾多，許多漂泊在外的年輕人大都租房居住。在此趨勢(shì)下，小型、多功能、輕便且美觀的小型家用電器逐步進(jìn)入市場(chǎng)。此外，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到被回收的整個(gè)過(guò)程中，可持續(xù)性設(shè)計(jì)近年來(lái)也一直被人們所關(guān)注。而石墨烯材料的加入可以在生產(chǎn)、使用的過(guò)程中減少能耗，在產(chǎn)品電鍍的過(guò)程中節(jié)約稀有金屬，提高稀有金屬的使用效率，有效地降低自然資源的消耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。但目前市面上所售的小家電很少運(yùn)用石墨烯新材料，這對(duì)于幾乎空白的市場(chǎng)無(wú)疑是一個(gè)巨大的機(jī)會(huì)。據(jù)調(diào)查，預(yù)計(jì)到2025 年，石墨烯材料在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用有望實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，2017—2025 年平均增長(zhǎng)率達(dá)到72.8%（如圖2）。若將這些領(lǐng)域與小家電行業(yè)相結(jié)合，對(duì)于小型家用電器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)[3]。同時(shí)，也將為此行業(yè)帶來(lái)新的趨勢(shì)。

3.1 智能化

伴隨著信息時(shí)代的到來(lái)，智能化設(shè)計(jì)早已融入了我們的生活，目前如冰箱、洗衣機(jī)等家用電器大部分都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化，而小型家用電器的智能化操作還并不是特別的完善。隨著現(xiàn)代人們生活節(jié)奏的加快和對(duì)未來(lái)美好生活的不斷追求，小型家用電器的智能化設(shè)計(jì)是必然的趨勢(shì)，其將帶給我們的是更加簡(jiǎn)潔、舒適的生活，無(wú)需過(guò)多的操作便可實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的作業(yè)。而石墨烯的加入，可以強(qiáng)化智能電器的一些性能，比如使其更加耐用，其輕薄透明的屬性也可為需要高分辨率顯示器的智能小家電帶來(lái)外觀上的優(yōu)化。在一些智能電子元件中，晶體管是電子學(xué)的基礎(chǔ)，其研發(fā)趨勢(shì)是更小巧和更有效。小型智能家用電器的性能也因此會(huì)有質(zhì)的飛躍。同時(shí)，在一些需要傳感器的小家電中，由于石墨烯可使生物分子緊密結(jié)合，其結(jié)合得越緊密，傳感器的電磁屏蔽效應(yīng)就越小，從而可以增強(qiáng)傳感器的靈敏度。進(jìn)而使智能小家電為人們帶來(lái)更好的體驗(yàn)感。

3.2 人性化

工業(yè)設(shè)計(jì)的目的是創(chuàng)造更合理的生存方式。即在人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)中，人的一切活動(dòng)最優(yōu)化。最優(yōu)化的本質(zhì)之一就是符合人機(jī)工程學(xué)，這也是人性化設(shè)計(jì)的原則之一。人性化設(shè)計(jì)的理念并不是由某個(gè)人或組織提出的，而是人類(lèi)不斷追求的目標(biāo)。人性化設(shè)計(jì)也一定是不缺乏功能性的設(shè)計(jì)，結(jié)合小家電設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，當(dāng)今小型家用電器的功能性都已經(jīng)相對(duì)成熟了。隨著大眾對(duì)于美好生活的不斷追求，人們對(duì)人性化設(shè)計(jì)的需求也在逐年增加，與此同時(shí)，這也是現(xiàn)代家電設(shè)計(jì)的大趨勢(shì)。由于任何家電產(chǎn)品都是為人設(shè)計(jì)的，所以最終其命運(yùn)要視與人關(guān)系的協(xié)調(diào)程度而定[4]。小型家用電器亦是如此，石墨烯新材料的加入可以使其進(jìn)一步接近人性化設(shè)計(jì)，不僅能使小型家電更加輕巧耐用，也將適用于更多的場(chǎng)景。就車(chē)載小家電來(lái)說(shuō)，其出現(xiàn)就是為了方便人們的生活，其本身就是一種人性化設(shè)計(jì)，而石墨烯的加入可以更加優(yōu)化其屬性，也更符合人們的理想型設(shè)計(jì)。比如，石墨烯泡沫和石墨烯氣凝膠是目前最輕、最強(qiáng)的材料，這些材料可以在小型家用電器領(lǐng)域替代其他諸如碳纖維等輕量化材料，使設(shè)計(jì)更加堅(jiān)固、輕盈且耐用。從儲(chǔ)能方面來(lái)說(shuō)，石墨烯的加入使可儲(chǔ)能的小型家電的電量?jī)?chǔ)存能力增強(qiáng)，有效延長(zhǎng)其使用時(shí)間，減少人為充電的次數(shù)，更加貼近人性化設(shè)計(jì)。

3.3 可持續(xù)性

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中如何平衡性能與環(huán)境之間的關(guān)系，一直是持久不變的話(huà)題，在生產(chǎn)中，提升人們生活質(zhì)量的同時(shí)也耗費(fèi)了資源與能源，對(duì)環(huán)境也造成了極大的傷害。近年來(lái)地球面臨著巨大的生態(tài)危機(jī)，人們也有了更強(qiáng)的推動(dòng)可持續(xù)性發(fā)展的意識(shí)。而家用電器屬于終端用能型產(chǎn)品，隨著在家庭中的普及度逐年上升，以及家用電器種類(lèi)和數(shù)量的不斷增長(zhǎng)，總保有量大、涉及使用面廣、能源消耗多、使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)日益凸顯[5]。這就更加需要有相對(duì)減小損耗，降低環(huán)境污染的新材料出現(xiàn)及使用，而石墨烯新材料的運(yùn)用恰好可以在小型家用電器的生產(chǎn)、使用及回收過(guò)程中做到高效且降低能耗，從而降低對(duì)環(huán)境的污染。此外，所有產(chǎn)品的可持續(xù)性設(shè)計(jì)都對(duì)降低能源和資源的消耗有著直接的促進(jìn)作用。家用電器相較于其他產(chǎn)品來(lái)說(shuō)其能源消耗量相當(dāng)大，所以設(shè)計(jì)師應(yīng)該在可持續(xù)性設(shè)計(jì)中做出更多的努力。小型家用電器相對(duì)于普通家用電器來(lái)說(shuō)有“輕、薄、短、小”的特點(diǎn)，這不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品的體量上，也體現(xiàn)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化中。綜上所述，將石墨烯材料應(yīng)用于小型家用電器設(shè)計(jì)中，能夠更加有效的使小家電在整個(gè)生命周期中給環(huán)境所帶來(lái)的危害減到最小。因此，可持續(xù)性是當(dāng)今時(shí)代小型家用電器的重要發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

石墨烯材料運(yùn)用在小型家用電器中將大幅度提升產(chǎn)品質(zhì)量及使用效率，雖然石墨烯目前在生產(chǎn)方面還存在生產(chǎn)成本高、制備難等問(wèn)題，但隨著科技的進(jìn)步以及科研人員的不斷研究，石墨烯的制造工藝也在逐步改善，在小型家用電器及各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也具有很大前景。不僅在提升小型家用電器使用性能方面有很大的突破，而且有利于可持續(xù)發(fā)展理念的進(jìn)一步深入。此類(lèi)型設(shè)計(jì)也正朝著智能化、人性化、可持續(xù)性的趨勢(shì)發(fā)展。目前，科技發(fā)展飛速，大眾對(duì)與使用新材料的產(chǎn)品的接受度也非常高。雖然石墨烯材料以及小型家用電器現(xiàn)在都還處于發(fā)展階段，但未來(lái)前景可期。