石墨烯的应用及用途 - 晨阳可膨胀石墨阻燃

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石墨烯的应用及用途

[发布日期:2019-02-06 19:13:50 浏览量:157 文章来源:青岛晨阳石墨有限公司

石墨烯作为碳纳米材料科技创新的前沿领域,凭借其特殊的晶体结构性能引起了科学界的广泛关注和研究,是迄今为止发现的最薄的二维材料,被认为是构建石墨、富勒烯和碳纳米管和石墨的基本结构单元,具有优良的导热性能,力学性能,较高的电子迁移率,较高的比表面积和量子霍尔效应等性质。由于石墨烯具有优异的导热性能和力学性能,故其在传感器、聚合物纳米复合材料、光电功能材料、药物控制释放等领域表现出众多潜在的石墨烯应用前景。

看好未来突破五大领域

业内石墨粉厂家普遍的看法是,未来石墨烯的应用前景将会在五大领域出现。一是光电产品领域,以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性,在触摸屏、可穿戴设备、OLED、太阳能等领域中发挥作用。这也是目前公认最可能首先实现商品化的领域。二是能源技术领域,主要依赖于石墨烯超高的比表面积、超轻的重量和非常好的导电性。采用石墨烯的超级电容器,其极限储能密度是现有材料的2-5倍左右,被称作最理想的电极材料。三是功能复合材料,通过将石墨烯加入各种塑形基体,能够制备出具有很好导电、导热、可加工、耐损伤的特殊材料,在集成电路、散热片、高韧性容器等方面有应用潜力。四是微电子器件。未来的石墨烯半导体、石墨烯集成电路、THz器件等领域,可能需要利用石墨烯独特的性质来发挥。五是生物医药和传感器领域,石墨烯对单分子的响应能力、承载抗体后的分子输运能力都是其他传感器不能实现的。

石墨粉行业有专门整理出石墨烯纤维的应用和石墨烯发热膜的应用相关资料,这里就不详述了。

那么,除了这两个,石墨烯的应用还有哪些呢?

1. 石墨烯的应用---石墨烯电池

在电池生产中石墨烯可直接作为正负极材料,或是作为导电添加剂添加到正负极材料中,还有是作为涂层提高电池功率特性。充电和续驶里程问题一直困扰着新能源汽车,这是因为铅酸电池和传统锂电池的发展遭遇“瓶颈”,而石墨烯电池有望在此取得突破。在不久前举行的上海车展上,有车企推出了一款石墨烯钛酸锂电池,可以实现10~15分钟快速充电,可持续充放电超过4万次,油电综合续驶里程可达1000千米以上。

2. 石墨烯的应用---石墨烯集成电路

由于具备超高电子传输能力和良好的导热能力,石墨烯被认为会取代现在广泛使用的硅而成为下一代集成电路的根基。2010年,美国一个研究团队制成了首块基于石墨烯的晶体管,并将其整合进一块完整的集成电路中。2016年,中国科学家研制出首只低噪声放大单片集成电路。

3. 石墨烯的应用---石墨烯触摸屏

智能手机最关键的部件是有一块既能导电又非常透明的触摸屏,而石墨烯的良好的柔韧性、导电性和光学透明性完全能满足这一需求,比目前的透明电极材料氧化铟锡(ITO)更完美。韩国研究人员已制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲的显示屏,用这种方法还可制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸传感器、平板显示器、有机发光二极管等。

4. 石墨烯的应用---石墨烯存储器

英国、韩国的研究人员还在致力开发基于氧化石墨烯的可弯曲、透明的存储系统。基于石墨烯的新型存储材料成本低、功耗小、重量轻、体积小、存储密度高,可以三维堆积。随着基于石墨烯的触屏、内存等电子器件不断开发,未来可弯曲、全透明的智能手机将成为现实。

5. 石墨烯的应用---石墨烯超级材料

美国研究人员把柔软的石墨变成了强劲的“钢筋”,过程是把单层二维结构的石墨烯变成具有三维结构的石墨烯泡沫状材料,再用机械性能较强和高导电性的碳纳米管来强化该材料,从而制成“钢筋石墨烯”。中国研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有蜂窝状结构的泡沫材料,它像气球一样轻却像金属一样坚固,未来可以用其制造防弹衣、坦克装甲等。

6. 石墨烯的应用---癌症早期诊断

中国科学家首次发现石墨烯有助于癌症早期诊断。在机体出现异常情况时,核酸分子生物标志物cmocroRNA在血清、尿液以及唾液中含量也会随之改变,但一般检测方法难以捕捉到,而借助石墨烯的强吸附性,可使检测的灵敏度大大提高。通过对捕捉到的cmocroRNA进行综合性分析,即可得出机体是否出现癌变,以及是哪种癌症,对于各类癌症的早期诊断、治疗具有重要意义。

7. 石墨烯的应用---石墨烯“人工喉”

人的喉咙仅能发出声音而无法感知声音。如果能有一种材料可以同时感知声音、发出声音,并且具有柔性,用其制成“人工喉”,就能解决像霍金那样的肌肉萎缩患者,甚至聋哑人的说话难题。最近,中国研究人员就利用多孔石墨烯材料研发出这种集成声学器件,它通过热声效应发出声音,通过压阻效应接收声音信号。

8. 石墨烯的应用---石墨烯灯泡

现在传统的白炽灯泡已逐步被白光LED所取代,虽然LED照明功耗低、效果好,但价格高,且制作时需要稀土元素作为原材料。在英国,科学家研制出全新的石墨烯灯泡,拥有比LED灯泡更坚固的结构和更低廉的价格,可让灯泡使用时间延长,进一步减少10%的能源消耗。

9. 石墨烯的应用---海水淡化滤膜

目前的海水淡化方法需要消耗大量能源,成本高,还会对环境产生负面影响。英国研究人员正在研究以相对廉价的石墨烯氧化物滤膜来进行海水淡化。这是一种可让水分子通过而盐离子滤出的选透性薄膜,不需要高温和高压,因而是一种低成本的海水淡化替代方案。

10. 石墨烯的应用---石墨烯除污海绵

科学家利用石墨烯“海绵体”超高的比表面积,对有毒有害物质进行吸附,吸附量可达自重的上百倍,吸附之后经过处理还可循环使用。中国科学家在普通海绵表面均匀地包裹上石墨烯涂层,利用其导电、疏水、亲油特性,吸附海面上泄漏的浮油。

11.石墨烯的应用---防锈

由于石墨烯不会溶于水,因此可以混合聚合物用于防锈涂层。石墨烯不溶于水加上超高导电性,如果与钢结合的话,就可以防止钢接触到水并缓解氧化铁的电化学反应。之前就有一位化学家做了实验,将喷了此涂层的钢浸泡在盐水中,一个月后钢的表面没有任何锈迹出现。设想下,如果喷在汽车上呢,是不是就不怕爱车生锈了!

12.石墨烯的应用---扬声器

这种扬声器的发声原理是石墨烯通过传输电流产生的热能发声。如果将厚度不足一纳米的一层石墨烯放于玻璃以及两种塑料上(两种不同类型),然后施加交流电,就能听到声音了。这种扬声器不是通过隔膜振动,而是通过石墨烯运输电流发声,最大的优势就在于薄以及柔韧性,可以做成任何形状。

13.石墨烯的应用---超级电容

我们都知道电容是可以存储电能的,比如相机的闪光灯就是依靠它提供能量。但是单位质量的电容所存储的电能有限,这个时候就要用电池了。然后石墨烯电容可以存储更多的能量,还可以有更多的充放电次数。完全可以不用电池提供能量了。

14.石墨烯的应用---清理放射性废弃物

这个就是依靠石墨烯的超强吸附能力了。将石墨烯氧化物微粒与放射性物质相结合,然后聚集成团,这样就非常便于后期的收集。以后核废料的清除将变得更安全。

15.石墨烯的应用---柔性电子线路

电脑的运算速度提高50倍。现在的电脑芯片,最重要的材料是硅。而石墨烯比硅具有更好的导电性能,它可以用更少的电力,产生更小的热量,甚至都可以淘汰掉冷却风扇,而且速度还可以提高50倍。最近也有很多有关石墨烯代替硅的资讯,从当中我们不难预测,未来五年内很有可能第一批石墨烯处理器将诞生并投入市场。

16.石墨烯的应用---人工肌肉

把一层石墨烯固定在聚合物上,只要有电流通过,就会产生褶皱和伸展。这个用途也是从一个实验开始想到的。在一个实验石墨烯柔韧性的实验上,科学家们把石墨烯固定在准备拉伸的橡胶薄片上,当拉力消失的时候,石墨烯还是稳稳的贴合在薄片上。从这个实验可以想到,如果是把石墨烯贴合到聚合物上呢?只要给聚合物上有电流通过,就会发生伸缩现象了。这不正是我们人体肌肉的关键部分么!

17.石墨烯的应用---探测爆炸物

对于低浓度爆炸物,可用石墨烯泡沫来探测。这个原理主要是由于石墨烯泡沫能够探测到低浓度的硝酸盐和氨。只要把这个探测器做成电话卡一样的大小就可以了。

18.石墨烯的应用---DNA测序

石墨烯泡沫过滤器主要是控制石墨烯空隙的大小。这种方法的优点和缺点很有意思,因为优点和缺点分别是成本低和成本高:现有技术是该新技术的三到五倍,然后用于石墨烯DNA测序的设备,价格高达十几万美元。

19.石墨烯的应用---夜视

专业的夜视设备,将有望更轻便,方便携带。如果是用石墨烯的底片,并且在此底片上添加硫化铅晶体,结果就是夜视设备将更灵敏,更具有柔韧性。这样的话,就可以制造出更薄更方便携带的夜视镜咯!

从上面的介绍我们可以看到,石墨烯作为一种基本材料,可以通过多种形式或者是与不同的其他材料有机结合,将会有无限大的可能性。可以这么说,只要有设备和技术的提供,石墨烯作为基本材料将有无限的可能。