石墨烯材料的特性及應(yīng)用研究

沈一浩

摘要：隨著穩(wěn)定的石墨烯成功分離，當(dāng)前關(guān)于石墨烯材料的應(yīng)用研究越來(lái)越多，石墨烯材料開(kāi)始被廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)、電子產(chǎn)品生產(chǎn)以及醫(yī)學(xué)生物研究等多個(gè)領(lǐng)域。本文主要介紹了石墨烯材料的電子效益、力學(xué)特性、熱性能以及光學(xué)特性等方面的特征，并對(duì)當(dāng)前石墨烯材料的主要應(yīng)用方向進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：石墨烯材料;材料特性;材料應(yīng)

一、石墨烯的主要特性

（一）電子效應(yīng)

石墨烯載流子運(yùn)動(dòng)速度非常迅速，在常溫狀態(tài)下石墨烯材料其載流子的遷移速度是硅材料的10倍，不僅如此，石墨烯材料載流子運(yùn)動(dòng)速度受到環(huán)境溫度的影響非常小，這主要基于，石墨烯材料的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應(yīng)，這使得石墨烯材料的載流子遇到雜質(zhì)時(shí)，極少產(chǎn)生背散射，正是基于石墨烯材料的電子特性，使石墨烯材料具備了更好地性能、更強(qiáng)的散熱性以及耗電量少的特點(diǎn)，因此，相關(guān)學(xué)者認(rèn)為，在未來(lái)石墨烯材料極有可能取代硅材料，成為最為主要的電子半導(dǎo)體生產(chǎn)材料。

（二）力學(xué)特性

石墨烯材料是目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的所有材料中強(qiáng)度最高的材料之一，而與其他高強(qiáng)度材料相比，更為特殊的是石墨烯材料還具備較好的韌性，基于石墨烯材料的這一力學(xué)性能，石墨烯材料目前正被應(yīng)用于制備高強(qiáng)度材料應(yīng)用領(lǐng)域以及壓力傳感器測(cè)試領(lǐng)域，不僅如此，將石墨烯材料應(yīng)用于宇航器制造領(lǐng)域，將石墨烯材料與相關(guān)金屬材料制成復(fù)合材料，則能夠大大提升原有宇航器制作材料的拉伸性，這對(duì)于航天航空領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

（三）熱性能

石墨烯具有非常強(qiáng)的熱傳導(dǎo)能力，當(dāng)石墨烯材料作為熱傳導(dǎo)載體時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)也可達(dá)600 W/mK，正是由于石墨烯材料所具備的這一性能，石墨烯材料具有了良好的散熱功能，將其應(yīng)用于電子設(shè)備中，能夠幫助電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)快速散熱，從而避免電子設(shè)備因溫度過(guò)高導(dǎo)致其性能和運(yùn)行效率降低等問(wèn)題。

（四）光學(xué)特性

薄層石墨烯材料具有良好的透光性，其光透過(guò)率高達(dá)97.7%，幾近透明，不僅如此，石墨烯材料還具有良好的導(dǎo)電性能，由于石墨烯材料同時(shí)具備高透光性以及良好的導(dǎo)電性能，因此，石墨烯材料開(kāi)始的被應(yīng)用于觸屏膜以及柔性顯示研發(fā)領(lǐng)域，并取得了一定的進(jìn)展，有望在未來(lái)取代ITO材料成為未來(lái)顯示屏幕領(lǐng)域最關(guān)鍵的材料之一。

二、石墨烯材料的主要應(yīng)用途徑

（一）代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品

目前晶體管主要使用硅材料進(jìn)行生產(chǎn)，但是在電子設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程中，由于電子進(jìn)行激烈運(yùn)動(dòng)，因此設(shè)備會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，而在發(fā)熱狀態(tài)下電子設(shè)備的性能將在一定程度上下降，這在一定程度上阻礙了電子設(shè)備的發(fā)展，而石墨烯材料在電子設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中，由于電子在石墨烯材料中運(yùn)行受到的阻礙非常少，因此電子之間由于運(yùn)動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的熱量就比較小，加之石墨烯材料具有非常好的導(dǎo)電性，因此石墨烯材料對(duì)于提升和推動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展具有廣闊應(yīng)用前景。

（二）石墨烯材料在柔性顯示中的應(yīng)用

由于石墨烯材料具有良好的透光性、以及導(dǎo)電性，石墨烯材料在顯示屏幕領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，而更為重要的是，石墨烯材料在具備成為顯示屏幕潛力的同時(shí)，石墨烯材料本身還具有較強(qiáng)的韌性，能夠被彎曲，這使得石墨烯材料制成的相關(guān)顯示屏幕具備了可折疊性和可穿戴性，這對(duì)于可穿戴電子產(chǎn)品以及可折疊的電子產(chǎn)品研發(fā)而言具有重要意義。

（三）石墨烯材料在傳感器中的應(yīng)用

由于石墨烯獨(dú)特的電子效應(yīng)，使石墨烯在高靈敏檢測(cè)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)相關(guān)研究表明，目前石墨烯材料所制成的傳感器不僅能夠測(cè)量生物體內(nèi)的小分子，同時(shí)還能夠測(cè)量生物體內(nèi)的DNA等大分子，且相對(duì)其他傳感器而言，石墨烯材料所制成的傳感器感應(yīng)速度更快，傳輸速度更高，對(duì)于傳感器領(lǐng)域整體性能的提升具有重要作用。

（四）石墨烯材料在復(fù)合材料方面的應(yīng)用

石墨烯復(fù)合材料目前主要有三類，一是石墨烯金屬納米復(fù)合材料;二是石墨烯高分子材料;三是石墨烯無(wú)機(jī)復(fù)合材料。首先，石墨烯金屬納米復(fù)合材料主要被用于催化劑，相對(duì)于其他催化劑而言，石墨烯金屬納米催化劑的催化速度更快，毒性更小，這對(duì)于我國(guó)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展具有重要意義;其次，石墨烯高分子材料也具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，例如，將石墨烯添加到導(dǎo)電橡膠和塑料中，能夠在一定程度上減少電線電阻，這對(duì)于降低電力運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)的電力損耗具有重要意義;最后，目前在研究領(lǐng)域?qū)τ谑o(wú)機(jī)復(fù)合材料的研究相對(duì)較少，但是石墨烯具有較高程度的韌性且透光性較好，這使得石墨烯與其他無(wú)機(jī)金屬材料復(fù)合而成材料在柔性顯示領(lǐng)域?qū)⒕哂休^強(qiáng)的應(yīng)用前景。

（五）石墨烯材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

在藥物載體、基因測(cè)序、生物傳感器等方面的應(yīng)用前景廣闊。石墨烯材料在成為可控釋放性藥物及靶向治療藥物方面具有重要的應(yīng)用前景，這主要基于部分靶向治療藥物能夠較好地溶于石墨烯材料中，其石墨烯材料相對(duì)其他載體而言能夠承擔(dān)更大劑量的藥物運(yùn)輸。由于石墨烯材料制作而成的傳感器能夠檢測(cè)多種生物分子，且其檢測(cè)的效率非常高，因此，石墨烯材料在生物傳感器感應(yīng)等方面具有重要作用。

（六）石墨烯材料在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

由于石墨烯金屬材料屬于一種催化劑，而且石墨烯金屬材料還具備較好的吸附性，因此石墨烯材料能夠可作為催化劑催化污染氣體的轉(zhuǎn)化，并同時(shí)吸附空氣中的部分有害物質(zhì)，達(dá)到治理空氣污染的效果，除此之外，石墨烯在治理水污染方面也具有重要作用，石墨烯材料不僅能夠作為催化劑轉(zhuǎn)化水中的金屬離子，同時(shí)還能夠吸附水中的有害物質(zhì)。

三、總結(jié)

盡管石墨烯材料具備諸多特性，這些特性使得石墨烯材料在電子設(shè)備、環(huán)保、生物醫(yī)療等領(lǐng)域都具有廣闊應(yīng)用前景，但是，目前石墨烯在這些領(lǐng)域的應(yīng)用還屬于研究階段，并未廣泛應(yīng)用于實(shí)踐過(guò)程中，因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)石墨烯材料的研究，發(fā)現(xiàn)石墨烯材料很多的潛在性能，并加強(qiáng)石墨烯在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究，以及石墨烯材料應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中的推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙瑩瑩.石墨烯材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2020，46（08）：195+197.

[2]史冬梅，何大方，張雷.石墨烯材料發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].科技中國(guó)，2018（01）：3-6.

[3]曹宇臣，郭鳴明.石墨烯材料及其應(yīng)用[J].石油化工，2016，45（10）：1149-1159.